Sciences

BOREXINO : les neutrinos solaires en direct !

ActualitéClassé sous :physique , neutrino solaire , oscillations neutrinos

Par Laurent Sacco, Futura

La physique des neutrinos est riche et elle possède de nombreuses applications en astrophysique et en cosmologie. L'une d'entre elles nous concerne de très près puisqu'elle est à l'origine de l'énergie faisant briller le Soleil. Comme les neutrinos sont de plus extraordinairement pénétrants - ils peuvent traverser 300 "Terre" mises bout à bout avant d'être arrêtés - ils constituent un moyen direct pour sonder le cœur de notre étoile et valider nos théories sur les modèles stellaires. L'expérience BOREXINO en Italie vient de réussir à mesurer pour la première fois le flux de neutrinos à basses énergies et surtout en temps réel.

La sphère du détecteur de Borexino en cours de remplissage (Crédit : APC).

Les neutrinos sont des particules neutres qui interviennent dans les réactions nucléaires basées sur l'interaction faible, celle responsable de la désintégration bêta dans les noyaux. Proposés par Fermi et Pauli dans les années 30 pour sauver la loi de la conservation de l'énergie qui semblait violée dans certains processus, ils sont plus abondants que les photons dans l'Univers. Bien que l'on soit constamment traversé par ces neutrinos, leurs très faibles masses et surtout leur faible constante de couplage avec les autres particules font que l'on ne s'en aperçoit pas.

Les réactions nucléaires à l'origine des neutrinos solaire sont en jaune (Crédit : John Bahcall).

Le Soleil en produit en grandes quantités lors de réactions thermonucléaires variées conduisant à la synthèse de l'hélium. Les premiers calculs effectués pour prédire le flux rayonné, en relation avec la structure du Soleil et ces réactions nucléaires, avaient conduit à une anomalie. Seulement un tiers de ce qui était prédit était mesuré sur Terre.

La solution a passé par l'introduction d'un processus d’oscillation des états des différents neutrinos se convertissant les uns dans les autres périodiquement. Comme les détecteurs utilisés n'étaient sensibles qu'à l'une des trois formes de neutrinos, clairement, une partie du flux initial qui s'était convertie temporairement en une autre espèce lors du voyage du Soleil vers la Terre devait échapper aux observations.

Cette explication était rassurante car, contrairement aux photons produits au cœur de notre astre et qui mettent un million d'années en moyenne pour émerger de sa surface à cause de multiples collisions avec la matière du plasma solaire, les neutrinos s'en échappent presque instantanément. Si l'on faisait confiance aux théories sur la structure du Soleil, on pouvait donc craindre que celui-ci ne soit en train de s'arrêter de briller !

Les oscillations des neutrinos sont liées au fait qu'ils possèdent une masse, or celle-ci ne s'explique pas dans le cadre de la physique du modèle standard. L'étude du flux de neutrinos du Soleil, outre de vérifier dans tous les détails nos conceptions sur l'intérieur de celui-ci, est donc susceptible de nous donner des indications sur une physique au-delà du modèle standard.

En l'occurrence ce sont les réactions thermonucléaires faisant intervenir du béryllium (Be) et s'accompagnant d'une émission de neutrinos à basses énergies qui ont l'objet de l'attention des chercheurs. Le spectre en énergie des neutrinos du Soleil renseigne non seulement sur le type de réactions en son sein mais aussi sur le lieu et les conditions de température où elles se produisent dans le Soleil. Sa mesure précise est donc potentiellement très riche en informations de toutes sortes, comme on s'en convaincra en consultant le site de John Bhacall.

En ordonné le flux de neutrinos solaires et en abscisse leurs énergies. On voit que ce flux est complexe car produit par différentes réactions. En outre on a un mélange de spectre continus et de raies d'émissions comme celle vers 1 Mev du 7Be (Crédit : John Bahcall).
En fonction de la profondeur, représentée ici par la distance R en partant du centre du Soleil, le modèle solaire prédit des conditions de température et de densité spécifiques, en conséquence de quoi certaines réactions nucléaires produisant des neutrinos sont favorisées (Crédit : John Bahcall).

L'expérience

Dans cette optique, l'expérience BOREXINO a été lancée il y a une dizaine d'années. Il s'agit d'une collaboration internationale, à forte composante européenne, qui comprend des Italiens (Milan, Gênes, Pérouse, Pavie, Gran Sasso), des Allemands (Heidelberg, Munich), des Russes (Dubna, Kurchatov) et des Américains (Princeton, Bell Labs, MIT). La France, avec le laboratoire PCC du Collège de France (l'équipe qui a participé avec succès à l'expérience Chooz) a elle pris des contacts avec BOREXINO dans le courant de l'année 1998. La stratégie a consisté à s'enterrer sous des kilomètres de roches dans le tunnel du Gran Sasso en Italie.

Des photomultiplicateurs à la surface interne d'une sphère entourent une quantité importante de liquide qui joue le rôle de scintillateur. Sous l'action du flux de neutrinos, des réactions se produisent avec les électrons des molécules du liquide organique constituant le scintillateur, des photons sont alors émis et sont enregistrés par les photomultiplicateurs. Le flux de rayonnement cosmique à la surface de la Terre étant lui aussi capable d'induire ce genre de réactions, on comprend donc aisément la nécessité de s'en isoler sous une montagne pour s'affranchir d'un bruit de fond rendant impossible toutes les mesures. Il a d'ailleurs aussi fallu s'assurer que le liquide du scintillateur soit très pur et ne contienne pas d'éléments susceptibles de se désintégrer par radioactivité naturelle pour les mêmes raisons.

Les photomultiplicateurs de la sphère de l'expérience Borexino (Crédit : APC).

D'après les calculs, les réactions faisant intervenir du béryllium sont responsables de 10 % des neutrinos rayonnés par le Soleil. Les mesures de BOREXIMO ont pleinement confirmé ces prédictions ainsi que d'autres en relation avec les mécanismes d'oscillations des neutrinos.

Cette expérience, complémentaire d'autres sur la physique des neutrinos, comme MiniBooNE, confirme donc deux choses :

  • Nos théories sur la structure stellaire et les réactions thermonucléaires s'y produisant sont au moins exactes dans le cas du Soleil.
  • Les neutrinos sont bien massifs et une physique au-delà du modèle standard des interactions électrofaibles est nécessaire.

Pour finir, le détecteur de l'expérience BOREXINO est aussi sensible aux géoneutrinos, c'est à dire les neutrinos produits par la désintégration des éléments radioactifs à l'intérieur de la Terre. Tout comme pour le cas du Soleil, il y a des possibilités extraordinaires pour en déduire des renseignements sur la structure de la Terre, et surtout les mécanismes exacts à l'origine de la convection du manteau ainsi que de la production de son champ magnétique. On consultera sur ce sujet les liens en bas de cet article.