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Using Antarctic ice to map the universe’s energy hot spots


Posted by in The Polar Blog on Friday, November 7, 2014



The IceCube Laboratory, which hosts the computers that collect data from the neutrino observatory. (Photo: Sven Lindstrom, IceCube, NSF)

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Deep in the ancient ice of Antarctica, an array of sophisticated optical sensors is helping answer one of the greatest mysteries of our time: what is producing the cosmic rays that bombard our planet with intense high-energy radiation?

IceCube — occupying one cubic kilometre of the ice sheet at the South Pole — is the world’s largest neutrino detector. It’s recording the presence of high-energy neutrinos, sub-atomic particles born in the unimaginable fury of cataclysmic astrophysical events.
Neutrino research is revolutionizing the way we look at the cosmos, according to particle physicist Darren Grant of the University of Alberta, who is part of IceCube’s international team.

“Neutrinos are quite possibly the ideal messenger for information about the fundamental nature of the universe,” says Grant. “They can pass through anything, and unlike protons, which change direction from magnetic fields they encounter along the way, or light, which gets absorbed, neutrinos arrive on Earth with their direction and energy unchanged.”

But they’re also highly elusive. A neutrino can only be detected on the rare occasion when it interacts with another particle. “Every second,” explains Grant, “ten billion neutrinos pass through your thumb, but you’ll be 80 before a single one might interact with your body.” This makes studying neutrinos painstakingly slow: it took eight decades of research to find out that they have mass.

IceCube is an ideal neutrino receptor partly because of its enormous size, which boosts the chances of detecting neutrinos — it offers more atoms with which they can react — and also because of the unique properties of the Antarctic ice itself.

When a high-energy neutrino interacts with the ice, a charged “partner particle” is produced that releases energy in a flash of blue light. Deep Antarctic ice — at the South Pole it’s nearly three kilometres thick — is optically very clear, allowing IceCube’s sensors to pick up a flash 200 metres away. As well, the ice is almost entirely free from ambient radioactivity that could interfere with detecting neutrinos. Finally, a neutrino observatory needs to be in a very deep location, to screen out surface radiation from cosmic rays. Complex and expensive to construct in deep mines, this is simple in ice: researchers simply melt a hole and insert the sensors, and the hole refreezes. As Grants points out, “it’s much easier to melt ice than move rock.”

The results of the neutrino research at IceCube are exciting, says Grant. “We’ve discovered the first very high-energy neutrinos — higher energy than ever detected before — coming from something outside the solar system. We’re building a sky map of the origin of these neutrinos to point back to their potential sources. The next step is to match these to astrophysical events such as supernovae and gamma bursts. When you can identify the sources of high-energy events you can start to understand how processes work.”

Through its crystalline window of ice at the bottom of the world, IceCube is revealing new clues — one flash of blue light at a time — that are dramatically improving our knowledge of the universe.


This is the latest in a continuing blog series on polar issues and research presented by Canadian Geographic in partnership with the Canadian Polar Commission. The polar blog will appear online every two weeks at cangeo.ca/blog/polarblog, and select blog posts will be featured in upcoming issues. For more information on the Canadian Polar Commission, visit polarcom.gc.ca.



 

Exploiter la glace de l’Antarctique pour cartographier l’énergie de l’Univers

Le Laboratoire IceCube, qui accueille les ordinateurs qui collectent des données à partir de l'observatoire de neutrinos. (Photo: Sven Lindstrom, IceCube, NSF)

Dans les profondeurs de la glace ancienne de l’Antarctique, un réseau de détecteurs optiques sophistiqués contribue à résoudre l’un des plus grands mystères de notre époque : quelle est l’origine des rayons cosmiques qui bombardent notre planète de leur rayonnement intense?

IceCube — qui occupe un kilomètre cubique de l’inlandsis du pôle Sud — est le plus grand détecteur de neutrinos au monde. Il enregistre la présence de neutrinos de haute énergie, des particules subatomiques issues de la violence inimaginable d’événements astrophysiques cataclysmiques.

Les recherches sur les neutrinos révolutionnent notre vision du cosmos, selon Darren Grant (Université de l’Alberta), physicien des particules et membre de l’équipe internationale du projet IceCube.

« Les neutrinos sont peut-être bien les messagers parfaits pour transmettre de l’information sur la nature fondamentale de l’Univers », explique Grant. « Contrairement aux protons qui changent de direction quand ils rencontrent un champ magnétique, ou à la lumière qui est absorbée, les neutrinos peuvent traverser n’importe quoi et arrivent sur Terre avec une direction et une énergie inchangées. »

Les neutrinos sont également insaisissables. La détection d’un neutrino est possible seulement dans le rare cas où il interagit avec une autre particule. « Chaque seconde », explique Grant, « dix milliards de neutrinos vous traversent le pouce, mais vous aurez 80 ans avant qu’un seul d’entre eux n’interagisse avec votre corps. » L’étude des neutrinos avance donc extrêmement lentement : il aura fallu huit décennies de recherche pour découvrir qu’ils ont une masse.

IceCube est un récepteur de neutrinos idéal grâce à sa taille énorme qui accroît les chances de détecter des neutrinos — les neutrinos ont plus d’atomes avec lesquels interagir — et grâce aux propriétés singulières de la glace de l’Antarctique.

Quand un neutrino de haute énergie interagit avec la glace, il y a production d’une « particule partenaire » qui libère de l’énergie dans un éclair de lumière bleue. La glace profonde de l’Antarctique — au pôle Sud, elle fait près de trois kilomètres d’épais — est optiquement très claire et permet aux détecteurs de repérer un éclair à 200 mètres. En outre, la glace est quasi exempte de radioactivité ambiante qui pourrait perturber la détection des neutrinos. Finalement, un observatoire de neutrinos doit se trouver à une grande profondeur pour filtrer le rayonnement de surface. Il est complexe et coûteux de construire cette structure dans une mine profonde, mais dans la glace, c’est facile : les chercheurs pratiquent un trou en faisant fondre la glace, y insèrent les détecteurs et le trou regèle. Comme le souligne Grant, « il est beaucoup plus facile de faire fondre la glace que de déplacer la roche. »

Les résultats du projet IceCube sont emballants, dit Grant. « Nous avons découvert les tout premiers neutrinos de haute énergie, d’un niveau sans précédent, d’origine extrasolaire. Nous dressons actuellement une carte du ciel illustrant l’origine des neutrinos pour retracer leur source éventuelle. Nous établirons ensuite une corrélation avec des événements astrophysiques, comme les supernovas et les sursauts gamma. En arrivant à cerner la source de ces événements de haute énergie, on peut commencer à comprendre le fonctionnement des processus en cause. »

Par sa fenêtre cristalline de glace dans les profondeurs du monde, le détecteur IceCube révèle de nouveaux indices, un éclair de lumière bleue à la fois, qui améliorent considérablement notre compréhension de l’Univers.


Voici le plus récent billet d’un blogue sur les questions polaires et la recherche connexe présenté par Canadian Geographic en partenariat avec la Commission canadienne des affaires polaires. Le Blogue polaire sera affiché en ligne toutes les deux semaines à cangeo.ca/blog/polarblog et certains billets seront publiés dans de prochains numéros du magazine. Pour de plus amples renseignements sur la CCAP, veuillez visiter polarcom.gc.ca.




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