Nouvelle percée dans la détection des « particules fantômes » du Soleil

Première observation d’interactions carbone-neutrinos ouvre de nouvelles frontières en physique nucléaire et des particules.

Les neutrinos sont l’une des particules les plus mystérieuses de l’univers, souvent appelées « particules fantômes » parce qu’elles interagissent rarement avec quoi que ce soit d’autre. Des milliers de milliards traversent notre corps chaque seconde, sans laisser de trace. Ils sont produits lors de réactions nucléaires, y compris celles qui se produisent dans le noyau de notre Soleil. Leur tendance à ne pas interagir rend souvent la détection des neutrinos notoirement difficile. Les neutrinos solaires n’ont été observés en interaction qu’avec une poignée de cibles différentes. Maintenant, pour la première fois, des scientifiques ont réussi à observer également leur transformation d’atomes de carbone en azote à l’intérieur d’un vaste détecteur souterrain.

Cette percée, menée par des chercheurs d’Oxford, a été réalisée à l’aide du détecteur SNO+ situé à deux kilomètres sous terre au SNOLAB, une installation internationale de classe mondiale située dans une mine en activité à Sudbury, au Canada. L’emplacement profond était crucial pour protéger le laboratoire des rayons cosmiques et du rayonnement de fond qui masqueraient les faibles signaux des neutrinos.

L’équipe a recherché des événements où un noyau de carbone-13 est frappé par un neutrino de haute énergie et transformé en azote-13 radioactif, qui se désintègre environ dix minutes plus tard. Ils ont utilisé une méthode de « coïncidence retardée », qui recherche deux signaux liés : un flash initial dû à un neutrino frappant un noyau de carbone-13, suivi plusieurs minutes plus tard par un second flash provenant de la désintégration radioactive résultante. Ce schéma distinctif permet aux chercheurs de séparer avec confiance les véritables interactions de neutrinos du bruit de fond.

L’analyse a trouvé 5,6 événements observés sur une période de 231 jours, du 4 mai 2022 au 29 juin 2023. Ce chiffre est statistiquement cohérent avec les 4,7 événements attendus, générés par les neutrinos pendant cette période.

Les neutrinos sont des particules étranges qui sont essentielles pour comprendre les processus stellaires, la fusion nucléaire et l’évolution de l’univers. Selon les chercheurs, cette découverte jette les bases de futures études d’interactions similaires de neutrinos de basse énergie.

Le premier auteur Gulliver Milton, doctorant au Département de physique de l’Université d’Oxford, a déclaré : « Capturer cette interaction est une réussite extraordinaire. Malgré la rareté de l’isotope de carbone, nous avons pu observer son interaction avec des neutrinos, qui sont nés dans le noyau du Soleil et ont parcouru de vastes distances pour atteindre notre détecteur. »

Le co-auteur le professeur Steven Biller (Département de physique, Université d’Oxford) a ajouté : « Les neutrinos solaires eux-mêmes sont un sujet d’étude fascinant depuis de nombreuses années, et les mesures effectuées par notre expérience prédécesseure, SNO, ont conduit au prix Nobel de physique 2015. Il est remarquable que notre compréhension des neutrinos solaires ait tellement progressé que nous pouvons désormais les utiliser pour la première fois comme un « faisceau de test » pour étudier d’autres types de réactions atomiques rares ! »

SNO+ réutilise l’expérience SNO, qui a montré que les neutrinos oscillent entre trois types : les neutrinos électron, muon et tau lors de leur voyage du Soleil vers la Terre. Le chercheur principal de SNO, Arthur B. McDonald, a partagé le prix Nobel de physique 2015 pour avoir résolu le problème des neutrinos solaires, ouvrant la porte à de nouvelles recherches sur les propriétés des neutrinos et leur rôle dans l’univers, explique la scientifique du personnel de SNOLAB Dr Christine Kraus.

« Cette découverte utilise l’abondance naturelle du carbone-13 dans le scintillateur liquide de l’expérience pour mesurer une interaction spécifique et rare, a indiqué Kraus. « À notre connaissance, ces résultats représentent l’observation la plus basse en énergie des interactions de neutrinos sur des noyaux de carbone-13 à ce jour et fournissent la première mesure directe de la section efficace pour cette réaction nucléaire spécifique vers l’état fondamental du noyau d’azote-13 résultant. »

Article : First Evidence of Solar Neutrino Interactions on 13C – Journal : Physical Review Letters – DOI : 10.1103/1frl-95g

Source : Oxford U.