KM3NET observe un neutrino à énergie médiane de 220 PEV

Les neutrinos cosmogènes (ou les neutrinos GZK) sont le produit de l’interaction d’un foudre cosmique (proton) avec de l’énergie dans l’exaescala (EEV) contre un photon du fond micro-ondes cosmique, donnant naissance à des neutrinos avec des énergies dans le pétaescala (PEV). L’ICECube n’a observé aucun neutrino cosmogène (qui est connu). Il est publié dans Nature que le télescope de neutrinos KM3NET a observé un muon avec une énergie médiane de 120 PEV dont l’origine serait un neutrino mononique avec une énergie médiane de 220 PEV, qui pourrait être le premier neutrinos cosmogène détecté (appelé KM3-230213A). Cette hypothèse est basée sur le fait que la source astrophysique dudit neutrino n’a pas été identifiée (dans le cône d’incertitude pour son angle d’incidence, de 1,5 ° à 68% CL, il existe 12 sources possibles qui ont été exclues par l’énergie ultraalta de ce neutrino). Les améliorations futures de l’étalonnage KM3NET pourraient permettre une réanalyse de KM3-230213A qui réduit l’incertitude angulaire, ce qui augmentera la signification statistique de l’origine cosmogène. Il en va de même pour la découverte de nombreux neutrinos cosmogènes lorsque la construction de KM3NET sera terminée. N’oubliez pas qu’un seul neutrino d’un nouveau type est une mauvaise indication et que les bonnes statistiques des événements de ce type sont toujours nécessaires pour le confirmer.

KM3-230213A est un candidat pour le plus de neutrinos d’énergie observé jusqu’à présent. Icecube a observé des neutrinos avec des énergies jusqu’à ∼10 PEV (∼10¹⁶ Ev), permettant de localiser la source de près de 15% des neutrinos observés (beaucoup de notre propre galaxie et autres de jeunes galaxies avec une formation d’étoiles). Le télescope neutrin KM3net (Kilomètre Télescope à neutrinos) est en construction dans les profondeurs de la mer Méditerranée. Il se composera de 345 lignées verticales avec 18 modules optiques sphériques, chacun avec 31 photomultiplicateurs dans toutes les directions (couvrant 4π stéréorradianes). Il aura deux détecteurs appelés ARCA, avec 230 lignes verticales à 3450 mètres de profondeur près de Portopalo di Capo Pasero en Sicile, et Orca, avec 115 lignes verticales de 2450 mètres de profondeur près de la côte de Toulon, en France. L’ORCA étudiera l’oscillation des neutrinos et ARK étudiera les neutrinos ultra-éERERÉGIQUES (UHE). ARK devrait atteindre une bonne statistique des neutrinos cosmogènes (qui soutiendra que KM3-230213A est le premier).

L’article a généré un écho médiatique mérité, étant une couverture du magazine Nature: The KM3Net Collaboration, «Observation d’un neutrino cosmique ultra-élevé avec KM3NET,» Nature 638: 376-382 (12 février 2025), doi: https://doi.org/10.1038/S41586-024-08543-1; Plus d’informations sur les informations dans Erik K. Blaufus, “Barreaux de la Sicile d’eau Marerious Neurrin”, »Nature 638: 324-325 (12 février 2025), doi: ne pas: https://doi.org/10.1038/d41586-025-00035-0. Pour soutenir l’article dans Nature, quatre articles sur la recherche de sources possibles sont apparus dans ArXIV sur les implications du premier événement cosmogène Neutrino: KM3NET, «L’événement ultra-haute énergie KM3-230213A avec le paysage mondial des neutrinos», »ARXIV: 2502.08173 [astro-ph.HE] (12 février 2025), deux: https://doi.org/10.48550/arxiv.2502.08173; KM3NET Collaboration et al., «Caractérisant les homologues du candidat des candidats de l’événement ultra-élevé KM3-230213A,» Arxiv: 2502.08484 [astro-ph.HE] (12 février 2025), deux: https://doi.org/10.48550/arxiv.2502.08484; KM3NET Collaboration, «Sur l’origine galactique potentielle de l’événement ultra-élevé KM3-230213A,» Arxiv: 2502.08387 [astro-ph.HE] (12 février 2025), deux: https://doi.org/10.48550/arxiv.2502.08387; La collaboration KM3Net, «Sur l’origine cosmogène potentielle de l’événement ultra-élevé KM3-230213A,» Arxiv: 2502.08508 [astro-ph.HE] (12 février 2025), deux: https://doi.org/10.48550/arxiv.2502.08508.

Par Serendipia, le 13 février 2023, alors que l’ARCA n’avait que 21 lignes verticales, pour une période de 287,4 jours de collecte de données pour l’étalonnage du détecteur, un muon a été observé avec une énergie médiane estimée de 120 PEV (en réalité de 120⁺¹¹⁰₋₆₀ PEV, c’est-à-dire 35–380 PEV à 90% CL). La méthode de détection standard des neutrin dans l’ARK est l’observation du produit de muons de l’interaction d’un neutrino avec la question de la Terre sous le détecteur, c’est-à-dire qui affecte la direction de bas en haut dans le détecteur. Pour les neutrinos exceptionnels d’une plus grande énergie, une détection est également attendue dans une direction presque horizontale. KM3-230213A est un premier exemple de ce cas exceptionnel. Le muón observé provient d’une direction presque horizontale (0,6 ° à l’horizon, avec de l’azimut de 259,8 °, avec le pôle Nord à 0 ° et poussant en direction des aiguilles de l’horloge). Cette adresse est déterminée par le retard temporaire de l’excitation des lignes de photomultipuleurs, comme illustré dans cette figure. Le problème est qu’il a été détecté avec seulement 21 lignes verticales, au lieu des 230 lignes de l’instrument final, donc l’incertitude dans l’angle d’incidence est assez grande, 1,5 ° à 68% CL).

En raison de l’adresse d’incidence, en utilisant des modèles théoriques, il est interprété que ce muon a parcouru 300 km d’épaisseur équivalent dans l’eau, lorsqu’un muon atmosphérique peut parcourir jusqu’à 60 km d’épaisseur équivalente dans l’eau. Par conséquent, ce muón est interprété comme un produit de la collision d’un neutrino mural contre un noyau de la croûte terrestre. Ce neutrino aurait une énergie médiane estimée de 220 PEV (en réalité 110–790 PEV à 68% CL et 72–2600 PEV à 90% CL). Le KM3-230213A est compatible avec l’attendu pour un neutrino cosmogène, c’est-à-dire le produit de l’interaction d’un faisceau cosmique (proton) avec les photons du fond micro-ondes cosmiques (l’observatoire Pierre Auger a enregistré des rayons cosmiques (protons) avec des énergies de jusqu’à 166 EEV). Plus précisément, du processus Greisen -zatsepin – Kuzmin (GZK) donné par P + γ_Cmb → D⁺ → N⁰ + π⁺où le barion delta intermédiaire se désintègre dans un neutron et un pion, résultant en un neutrino mutuel via la désintégration de pion chargé π⁺ → m⁺ + n_met deux autres neutrinos via la désintégration du muón μ⁺ → E⁺ + n_e + n̄_m (Pour les protons avec des centaines de centaines de centaines, ce mécanisme produit des neutrinos avec des énergies de centaines de PEV).

L’hypothèse selon laquelle le neutrino OHE est cosmogène implique qu’il s’agit de la première observation d’un neutrino avec cette origine. Le problème de cette hypothèse est que l’ICECube n’en a pas observé jusqu’à présent (alors il y a une tension entre l’observation de KM3NET / ARCA et l’absence d’observation de l’ICECUBE). Il soutient l’origine cosmogène, en plus de la grande énergie, qui n’a pas été possible d’identifier aucune source galactique ou cosmique de ce neutrino (quelque chose à attendre étant donné la grosse erreur dans la disposition du neutrino). De nombreuses explications possibles ont été proposées, mais on ne sait pas laquelle est correcte. Lorsque la construction de KM3NET se termine, la direction des neutrinos similaires peut être déterminée avec précision. Peut-être que beaucoup sont observés dans le sens d’arrivée de KM3-230213A, ce qui permettra à ce premier neutrinos d’être associé à ladite source.

Sous l’hypothèse selon laquelle KM3-230213A est un neutrinos cosmogène avec une énergie de plusieurs centaines de PEV, le flux de ce type de neutrinos peut être estimé. Le résultat est en tension, entre 2,5 et 3 sigmas, avec des estimations basées sur les observations d’Icecube et de Pierre. Bien sûr, un seul neutrino est très peu d’informations pour effectuer ce type d’estimations. Avec le flux estimé, beaucoup d’autres dans l’arche doivent être observés dans les années à venir. À mesure que les statistiques améliorent cette tension avec ICECUBE et Pierre Tuger peuvent être expliquées.

Des recherches intenses des sources possibles de KM3-230213A ont été effectuées. La région du ciel d’origine est un cercle avec un 3ème rayon dans le RA 94,3 °, déc-7,8 ° (J2000), 99% Cl. Les blázars ont été recherchés avec trois méthodes: dans le catalogue Eroposta combinées à l’enquête NRAO VLA Sky (NVSS à 1,4 GHz), dans des catalogues radio avec VLBI (Fundamental Radio Catog, RFC), et dans le catalogue 3561 Blzars appelé 5th Roma Bz Catalog (5BZCAT). Dans le cône de l’incertitude, 17 blázars se trouvent. Une étude détaillée de chacun d’entre eux indique qu’aucun ne semble être la source du neutrino.

Malgré sa grande énergie, l’origine possible au sein de notre galaxie (Voie lactée) de ce neutrinos a également été étudiée. Dans le sens de l’incidence, il n’y a pas d’accélérateur de particules galactiques qui peut expliquer sa grande énergie. La région la plus proche est R2, une région HII de formation d’étoiles de masse qui est à environ 840 persecs (∼2700 années-lumière). L’émission diffuse galactique semble être insuffisante pour expliquer la production d’un neutrino dans cette région. De plus, aucun rayon cosmique ultraénergétique n’a été observé dans cette région. Par conséquent, il est conclu que l’origine galactique du neutrinos peut être exclue, qui doit être extragalactique.

La tension entre l’écoulement des neutrinos EHU prédite par KM3-230213A et les prédictions basées sur des observatoires tels que la tarière Pierre et le réseau de télescopes peuvent se détendre. Ces observatoires sont concentrés dans des rayons cosmiques ultraénergétiques dans l’univers local, avec un déplacement rouge Z ≲ 1. Si l’origine du nouveau neutrino était beaucoup plus loin, par exemple, une source az ≃ 6, la tension est beaucoup détendue. Qui soutient l’origine cosmogène. Comme cela s’est déjà produit avec l’analyse des galaxies éloignées observées avec le télescope JWST, il peut y avoir un biais d’observation dans les estimations de l’écoulement des neutrinos ultra-éERERGETIQUES. Mais, comme je l’ai déjà mentionné, jusqu’à ce qu’il n’y ait pas de statistiques plus larges de ce type d’événements, ces types d’idées peuvent être considérés comme des prises de vue aériennes pour soutenir l’origine cosmogène.

En résumé, celui qui semble être le neutrino le plus énergétique du détecteur KM3NET / ARCA dans une configuration qui est de 10% de ce qui se terminera est lorsque sa construction est observée par Serendipie. Il est confirmé à l’avenir ou non cette première observation d’un neutrino cosmogène, le succès obtenu prédit que de nombreux enregistrements d’énergie record dans l’ARK seront observés. Sans aucun doute, ce détecteur situé dans la mer Méditerranée sera la source d’un grand nombre de nouvelles dans la physique des neutrinos.