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Borexino détecte la synthèse du deutérium dans le Soleil

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L'astrophysique nucléaire vient de remporter un succès de plus. Après plusieurs années d'observations patientes du flux de neutrinos solaires par l'expérience Borexino en Italie, les physiciens ont pu vérifier certaines des prédictions concernant les réactions thermonucléaires faisant briller notre Soleil. Ils mesurent en particulier directement l'effet de la synthèse du deutérium.

Une vue de la cuve de Borexino emplie de liquide scintillateur très pur pour éviter au maximum la présence d'éléments radioactifs contribuant au bruit de fond des neutrinos. © 2012 The Trustees of Princeton University

Depuis au moins le XVIIIe siècle, les physiciens réfléchissaient à la nature de la source d'énergie faisant briller le Soleil et les étoiles, lorsque la solution a enfin été trouvée pendant les années 1930. Il a fallu pour cela attendre la découverte des principes de la théorie quantique et le développement de la physique nucléaire. Entretemps, plusieurs hypothèses avaient réfutées, comme celle de réactions de combustion chimique (proposée par Kant), ou encore la libération de l'énergie gravitationnelle par contraction. Ce mécanisme proposé par Kelvin et Helmholtz ne permet de rendre compte que de la luminosité des protoétoiles. C'est à Hans Bethe essentiellement que l'on doit la découverte des réactions de fusion thermonucléaire, s'accompagnant de désintégrations radioactives avec émission de neutrinos, à l'origine de l'énergie des étoiles. Bethe est en particulier le découvreur de la chaîne proton-proton faisant briller le Soleil qui, après une cascade de réactions, conduit à la production de noyaux d'hélium 4 à partir de noyaux d'hydrogène.

On pense que si la chaîne proton-proton est la réaction dominante de production d'énergie de notre étoile, s'y ajoute une réaction proton-électron-proton qui produit des noyaux de deutérium. Si le Soleil était plus massif, un cycle de réactions proposées indépendamment par Bethe et Von Weizsäcker tiendrait une place importante : le cycle CNO. Il est probablement présent dans notre étoile mais contribue peu à sa production d'énergie.

Les détails de la chaîne proton-proton (pp) de Bethe libérant des photons (γ). Elle conduit finalement à la synthèse de l'hélium 4 (4He) selon 3 canaux : ppI, ppII et ppIII. On voit aussi la réaction proton-électron-proton (pep) conduisant à la synthèse du deutérium (2H) et qui s'accompagne de l'émission de neutrinos. Des noyaux d'hélium 3 (3He), de lithium (Li) et de béryllium (Be) sont des intermédiaires de réaction. © Dorottya Szam-Wikipédia

Mais comment en être sûr ? On ne peut évidemment pas envoyer un détecteur de particules dans le noyau du Soleil pour vérifier que tout se passe conformément à la théorie.

Cela serait de plus inutile car les neutrinos découverts théoriquement par Pauli au début des années 1930, et dont on ne sait toujours pas s'ils peuvent parfois être transluminiques, sont très pénétrants. Alors que l'opacité solaire impose un temps moyen d'environ 1 million d'années pour que le rayonnement photonique produit par les réactions thermonucléaires dans le noyau du Soleil rejoigne la surface de notre étoile, les neutrinos s'en échappent sans encombre.

On peut enregistrer ces neutrinos sur Terre et, surtout, mesurer leur spectre en énergie. Ce flux peut être prédit en fonction du type de réaction thermonucléaire dans le Soleil et en le comparant aux observations, on peut tester les théories sur la structure solaire.

La lumière des neutrinos solaires en Italie

De fait, depuis des années, les physiciens membres de la collaboration Borexino mesurent ce flux. Borexino est un détecteur rempli d'un liquide scintillateur très pur enterré sous le Gran Sasso en Italie. Il côtoie donc Opera.

De 2007 à 2010, les chercheurs avaient déjà mesuré un flux de neutrinos à basse énergie qui était la signature de la conversion du béryllium 7 en lithium 7. Ces neutrinos ont une énergie bien définie de 0,86 MeV. Il était déjà difficile de s'isoler suffisamment du bruit de fond des désintégrations radioactives en réduisant celui du détecteur lui-même d'au moins 10 ordres de grandeur. Mais les physiciens annoncent aujourd'hui dans un article publié sur arxiv avoir fait encore mieux.

En affinant les techniques d'analyse, ils ont eu accès à un flux de neutrinos encore plus faible, celui des neutrinos à 1,44 MeV correspondant à la réaction « pep ». Il s'agit de la combinaison d'un proton et d'un électron qui se transforme en neutron par un processus de radioactivité bêta inverse, suivie d'une capture de ce neutron par un proton pour former un noyau de 2H. En résumé, c'est la mise en évidence de la réaction de synthèse du deutérium dans le Soleil. Elle apparaît conforme aux modèles théoriques, en tenant compte bien évidemment des oscillations des neutrinos solaires.

Les physiciens vont continuer à améliorer la sensibilité du détecteur. D'ici 3 ans, ils espèrent avoir collecté suffisamment de données pour mettre en évidence un cycle CNO dans le Soleil.