Le "neutrino" : une clé pour comprendre le soleil

L’expérience Borexino installée sous la montagne du Gran Sasso (chaîne des Appenins, Italie), à laquelle participe une équipe du CNRS-IN2P3(1), a permis l’observation des neutrinos en provenance du Soleil. Cette détection directe est la première pour des neutrinos d’aussi basse énergie (de moins d’un million d’électrons-volts). Elle permettra aux physiciens de mieux comprendre les réactions nucléaires qui ont lieu au cœur du Soleil.

Depuis cinq milliards d’années, le Soleil puise son énergie dans les réactions nucléaires de son cœur. Ces réactions produisent des neutrinos(2) de 0 à 20 millions d’électron-volts (MeV), en quantité d’autant plus abondante qu’ils sont de basse énergie (de moins d’un MeV). Ces derniers sont issus du centre du Soleil : ils véhiculent des informations sur les mécanismes des réactions nucléaires qui y ont lieu, car, contrairement aux photons, ils peuvent cheminer jusqu’à la surface de l’astre sans altération.

Ce type de neutrinos est donc particulièrement intéressant pour les astrophysiciens qui essaient de comprendre comment fonctionne le Soleil. Mais jusqu’ici, ces neutrinos de basse énergie restaient invisibles, car les détecteurs n’étaient pas assez performants pour enregistrer le passage de ces particules insaisissables.

Deux générations de détecteurs se sont succédées depuis la fin des années 1960, qui
ont permis de mieux comprendre la nature du neutrino : elles ont mis en évidence un déficit du nombre de neutrinos arrivant sur Terre en provenance du Soleil, par rapport au nombre attendu, dû à l’oscillation du neutrino (2). Elles ont également amélioré notre connaissance des réactions de fusion qui se produisent dans le Soleil.

Cependant, de nombreux points d’interrogation subsistent quant à la physique du Soleil, l’étoile que nous connaissons le mieux et à laquelle on compare toutes les autres. Notamment, que se passe-t-il vraiment en son centre ?

Aujourd’hui, le détecteur Borexino, situé lui aussi au laboratoire du Gran Sasso, prend la relève. Ce détecteur est le fruit d’une collaboration entre la France, l’Italie, les USA, l’Allemagne et la Russie. En France, c’est le laboratoire Astroparticules et cosmologie (CNRS/CEA/Université Paris Diderot/Observatoire de Paris) qui participe à cette expérience depuis dix ans.

Il s’agit d’un détecteur d’un nouveau genre, basé sur la scintillation(3). Les chercheurs du CNRS ont développé et installé une électronique permettant de mesurer l’énergie et l’instant d’arrivée des neutrinos (détection directe). Dès les premières semaines de prise de données, au mois de mai dernier, et grâce à ses excellentes performances, Borexino a détecté directement et pour la première fois les neutrinos de basse énergie du Soleil, au taux de plusieurs dizaines par jour.

Ces neutrinos sont les plus nombreux et les plus difficiles à extraire du bruit de fond (issu de la radioactivité ambiante). La sensibilité du détecteur est donc exceptionnelle. Les premiers résultats, obtenus de mai à août, confirment à basse énergie les résultats des expériences précédentes.

Borexino va continuer d’enregistrer des données pendant les dix prochaines années.

Combinées aux résultats des autres expériences sur les neutrinos, elles permettront une description presque complète du spectre en énergie des neutrinos du Soleil et feront faire un grand pas à l’astrophysique nucléaire ainsi qu’à la physique du neutrino.

L’électronique installée par les chercheurs français permettra également de détecter les neutrinos en provenance des explosions de supernovae dans notre galaxie, ainsi que les neutrinos de la Terre (géoneutrinos).

Le neutrino et son oscillation

Notre corps et le monde qui nous entoure sont faits de quatre particules qui interagissent entre elles : deux quarks, l’électron et le neutrino.

Les quarks se regroupent pour former les protons et neutrons, qui sont eux-mêmes les constituants des noyaux atomiques.

Les électrons viennent habiller les noyaux des atomes.

Les neutrinos, eux, ne se lient à rien. Ils sont émis dans différentes sortes de radioactivités ou de fusions nucléaires, interagissant très peu avec le reste de la matière : un neutrino émis par le Soleil, n’a qu’une chance sur deux d’être arrêté lorsqu’il parcourt des années lumière de matière.

Les quatre particules élémentaires existent sous trois formes, sans que l’on sache pourquoi. On dit qu’il y a trois « familles » de particules.

La première forme la matière usuelle, les deux autres ont des masses plus grandes et on ne connaît pas leur rôle. C’est l’un des plus grands mystères de la physique des particules élémentaires.

Ainsi, outre l’électron, il existe deux électrons lourds, qui ont les mêmes propriétés : le muon et le tau. Le neutrino existe lui aussi sous trois formes, appelées neutrino électron, neutrino muon, et neutrino tau.

Le neutrino peut se transformer tout seul, et passer par exemple d’une forme électron à une forme muon. C’est ce qu’on appelle l’oscillation du neutrino (prix Nobel 2002).

Notes :
1) Institut national de physique nucléaire et de physique des particules
2) Voir le paragraphe sur les neutrinos
3) l’émission de lumière observée dans certaines cas lorsqu’une particule élémentaire interagit avec la matière