Les neutrinos ultra-relativistes projetés dans l'espace lors des sursauts gamma sont ralentis par les effets de la gravité quantique. C'est la conclusion de physiciens italiens, polonais et norvégiens, qui ont repéré sept neutrinos arrivés sur Terre plus tard que prévu, par rapport à leurs rayons gamma compagnons.
La théorie quantique fait un travail fantastique en décrivant les interactions qui impliquent trois des quatre forces connues de la nature. Cependant, aucune théorie ne décrit aujourd'hui de manière adéquate la nature quantique de la gravité. Bien que des théories de la gravité quantique aient été proposées, elles ont tendance à faire des prédictions qui ne peuvent actuellement pas être testées par l'expérience ou l'observation.
Une prédiction que les physiciens ont une chance de confirmer aujourd'hui est que les particules se déplaçant très près de la vitesse de la lumière perdront de l'énergie à cause d'un effet gravitationnel quantique. Plus la particule se déplace rapidement, plus l'effet est renforcé. Bien que l'effet soit extrêmement faible, si les particules sont créées lors d'un événement astrophysique à des milliards d'années-lumière, le résultat cumulatif serait un retard qui pourrait être mesuré lorsque les particules arrivent sur Terre.
Neutrinos tardifs
Désormais, une équipe dirigée par Giovanni Amelino-Camélia de l'Université de Naples ont recherché cet effet dans les données sur les neutrinos recueillies par le Observatoire de neutrinos IceCube. Situé au pôle Sud, l'observatoire détecte les neutrinos lorsqu'ils interagissent occasionnellement dans un kilomètre cube de glace.
Les chercheurs ont identifié sept neutrinos qui ont de fortes probabilités de provenir de sursauts gamma. Ce sont des événements hautement énergétiques qui sont produits soit par les supernovae des étoiles les plus massives, soit par des collisions d'étoiles à neutrons. Les rayons gamma de ces sursauts spécifiques ont également été détectés par la NASA Télescope spatial à rayons gamma Fermi.
Curieusement, ces neutrinos semblent être arrivés sur Terre jusqu'à trois jours après la détection des rayons gamma, ce qui suggère que quelque chose les a retardés. Le retard de trois jours est prévu pour les particules d'énergie allant jusqu'à 500 TeV. En comparaison, les neutrinos avec des énergies plus élevées jusqu'à 2 PeV nécessiteraient une fenêtre de retard de 12 jours, ce qui est trop long pour les identifier positivement avec un sursaut gamma spécifique.
Amelino-Camelia explique: "Les particules obtiennent cette contribution supplémentaire à leur vitesse, qui est négative, et elle augmente en ampleur à mesure que leur énergie augmente".
Emplacement, emplacement
Cependant, tout le monde n'est pas convaincu. Teppei Katori du Kings College de Londres, qui n'a pas participé aux travaux, souligne que les sept neutrinos candidats sont tous du « type cascade ». Lors d'un événement en cascade, un neutrino pénètre dans l'observatoire IceCube et dépose toute son énergie dans une petite région sphérique, ce qui rend difficile la détermination de la direction d'où provient le neutrino. Ceci est différent d'un «événement de piste», qui produit un signal qui pointe vers le point d'origine du neutrino dans le cosmos.
« Nous ne savons pas exactement d'où viennent ces neutrinos », explique Katori.
En effet, il n'est même pas clair que les sursauts gamma produisent un nombre significatif de neutrinos. Katori cite travail antérieur décrivant une recherche de neutrinos provenant de sursauts gamma qui n'a pas réussi à trouver une corrélation entre les deux. Cependant, il admet que cette recherche n'a pas pris en compte les retards causés par les effets de la gravité quantique.
En 2022, Katori – qui fait partie de la collaboration IceCube – était responsable scientifique sur une autre expérience à la recherche d'effets de gravité quantique dans les neutrinos. Plus précisément, cette étude a examiné comment la gravité quantique pouvait affecter les oscillations des neutrinos.
Les neutrinos se présentent sous trois « saveurs » différentes – électron, muon et tau – et les particules peuvent osciller d'une saveur à l'autre. Bien que l'expérience n'ait trouvé aucune preuve que la gravité quantique affecte les oscillations des neutrinos, c'était la première expérience à sonder ces oscillations à un niveau où la gravité quantique devrait être pertinente. Ainsi, l'expérience a pu imposer des contraintes aux modèles de gravité quantique qui prédisent les variations des oscillations.
Implications pour la cosmologie
Si la gravité quantique ralentit effectivement les neutrinos, Amelino-Camelia et Katori conviennent que l'observation serait une avancée majeure dans la compréhension de la gravité quantique et de son rôle dans l'évolution de l'univers.
Cependant, souligne Amelino-Camelia, "si l'effet n'est là que pour les neutrinos et autres particules de spin demi-entier, alors les implications pour la cosmologie pourraient être mineures".
La gravité quantique pourrait bientôt être testée à l'aide d'atomes ultrafroids
Pour Katori, le résultat le plus significatif de la confirmation d'un retard est que les physiciens pourraient l'utiliser pour calculer la taille de l'effet de gravité quantique. Cela permettrait aux physiciens d'évaluer des modèles concurrents de gravité quantique - et de passer à l'étape suivante et de concevoir des expériences et des observatoires pour mesurer l'effet plus précisément.
"Il y a encore un écart entre les modèles phénoménologiques motivés par la gravité quantique et les théories de la gravité quantique", explique Katori. "Je pense que combler cette lacune est difficile [mais] trouver un effet motivé par la gravité quantique est la première étape."
La recherche de neutrinos issus de sursauts gamma bénéficiera de la construction de IceCube-Gen2, ce qui augmentera la taille du volume du détecteur à huit kilomètres cubes de glace, améliorant ainsi la capacité de l'observatoire à localiser l'origine des neutrinos.
La recherche est décrite dans Nature Astronomie.
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