Détecter les dimensions supplémentaires de l'Univers dans les glaces du Pôle Sud

Des universitaires américains pensent que les scientifiques pourraient bientôt avoir la preuve de l'existence de dimensions supplémentaires et d'autres prévisions exotiques de la théorie des cordes. Les premiers résultats d'un détecteur de neutrinos situé au Pôle Sud, nommé AMANDA, montrent que ces particules fantomatiques venues de l'espace pourraient servir de sondes vers un monde au-delà de nos trois dimensions familières.

Seuls une douzaine de neutrinos de grande énergie ont été détectés jusqu'ici. Cependant, les capacités du successeur d'AMANDA, appelé IceCube, actuellement en construction, pourrait fournir les premières preuves de la théorie des cordes et d'autres théories qui tentent de dépasser notre compréhension actuelle de l'Univers.


Selon les chercheurs, les preuves viendraient de la façon dont les neutrinos interagissent avec d'autres formes de matière sur Terre. "Pour trouver des indices qui supportent la théorie des cordes et autres théories nouvelles, nous devons étudier comment la matière interagit à des énergies extrêmes", précise Luis Anchordoqui, un des auteurs de l'étude. "Les accélérateurs de particules construits sur Terre ne sont pas encore capables de produire ces énergies, mais la nature le fait sous la forme des neutrinos à haute énergie".

Dans les dernières décennies, de nouvelles théories se sont développées - comme la théorie des cordes, des dimensions supplémentaires et de la super symétrie - pour établir le lien entre les deux théories les plus abouties du 20ème siècle, la relativité générale et la mécanique quantique. La mécanique quantique décrit trois des forces principales de la nature: l'électromagnétisme, la force forte (liaison des noyaux atomiques) et de la force faible (radioactivité). Elle reste, cependant, incompatible avec la relativité générale d'Einstein, qui est la description principale de la quatrième force, la gravitation. Les scientifiques espèrent trouver une théorie unifiée pour fournir une description quantique de chacune des quatre forces.

Les clefs pour l'unification, selon les scientifiques, se trouvent aux énergies extrêmes. Sur Terre, des accélérateurs de particules ont déjà produit des énergies pour lesquelles les forces électromagnétiques et les forces faibles ne sont plus distinguables. Les scientifiques pensent que la prochaine génération d'accélérateurs à plus hautes énergies permettra de montrer qu'il en est de même pour la force forte. Cependant pour "connecter" la gravitation aux trois autres forces, des énergies encore plus élevées sont nécessaires.

Selon Anchordoqui et son équipe, les sources extragalactiques peuvent servir d'accélérateur cosmique ultime ; les neutrinos en provenance de ces sources et percutant des protons peuvent libérer des énergies dans un domaine où les premières preuves de la théorie des cordes pourraient être révélées.

Les neutrinos sont des particules élémentaires similaires aux électrons, mais qui sont beaucoup moins massifs, ont une charge neutre, et qui interagissent à peine avec la matière. Ils sont parmi les particules les plus abondantes dans l'Univers ; chaque seconde des milliards d'entre eux traversent notre corps. La plupart des neutrinos qui atteignent la Terre sont des particules de basse énergie en provenance du Soleil.

AMANDA, financé par la NSF (National Science Foundation), tente de détecter des neutrinos tombant directement du ciel ou pénétrant dans le détecteur après avoir traversé la Terre. Les neutrinos interagissent tellement peu que certains peuvent réussir à traverser le globe terrestre entier sans dommage. Le nombre total de neutrinos "tombants" et "montants" est incertain ; cependant, à l'exception de certains effets exotiques, les proportions relatives de détection sont bien connues.

Les détecteurs d'AMANDA sont placés profondément dans la glace antarctique. L'IceCube possède une conception semblable, à ceci près qu'il est pourvu d'environ six fois plus de détecteurs dans un volume d'un kilomètre cube. Un neutrino entrant en collision avec des atomes dans la glace émettra une brève lumière bleue indicatrice. Grâce aux détecteurs, les scientifiques pourront déterminer sa direction d'origine et son énergie.


Le point clé est ici que les scientifiques vont pouvoir comparer le nombre de neutrinos "montants" au nombre de neutrinos "descendants" en recherchant des irrégularités dans les détections ce qui permettra de mettre en évidence un effet exotique prédit par les nouvelles théories.

Selon celles-ci, leur proportion relative serait modifiée. Par exemple, l'existence de dimensions supplémentaires pourrait faire que des neutrinos créent des trous noirs microscopiques, qui s'évanouissent instantanément en produisant des pluies spectaculaires de particules dans l'atmosphère de la Terre et dans la calotte glaciaire. Ce phénomène augmenterait le nombre de détections de neutrinos "descendants". Dans le même temps, la création des trous noirs ferait que les neutrinos "montants" seraient capturés par la croûte terrestre, réduisant ainsi le nombre de leurs détections. Le taux relatif de deux "types" de neutrinos fournirait la preuve de distorsions dans les propriétés des neutrinos qui sont prédites par les nouvelles théories.

Plus d'informations sur AMANDA et IceCube sont disponibles sur le site IceCube.