Soleil : « première mesure directe du flux des neutrinos pp »

Une expérience unique au monde, menée avec le détecteur Borexino, a permis d’observer quasiment en temps réel le flux de neutrinos de basse énergie émis par le Soleil et de montrer que l’activité solaire n’a pratiquement pas changé depuis plus de cent mille ans.

Ces résultats obtenus par la collaboration Borexino, à laquelle participe le laboratoire Astroparticule et cosmologie (CNRS/CEA/Université Paris Diderot/Observatoire de Paris), sont publiés le 28 août 2014 dans la revue Nature.

L’énergie du Soleil provient, pour plus de 99%, de la fusion de noyaux d’hydrogène (des protons) au cœur de l’étoile. Cette réaction primordiale transforme deux protons en un noyau de deutérium en émettant un positron et un neutrino de basse énergie appelé neutrino pp. Le détecteur Borexino, installé dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso, en Italie, a réussi la première mesure directe du flux de ces neutrinos pp.

Une fois produits, les neutrinos franchissent en quelques secondes le plasma solaire et arrivent sur Terre huit minutes plus tard. Au contraire, l’énergie produite par la réaction en même temps que les neutrinos est transportée sous forme de photons et va mettre une ou deux centaines de milliers d’années à traverser la matière dense du Soleil, avant de gagner notre planète. Les neutrinos observés au cours de cette étude sont donc les témoins directs de ce qui se passe au cœur de l’étoile aujourd’hui, alors que l’énergie solaire qui nous réchauffe a été produite il y a longtemps.

L’expérience a permis de mesurer un flux de neutrinos de 6,6 × 1010 neutrinos par cm2 par seconde. Cela équivaut à une puissance du Soleil de 3,98 × 1026 watts, une valeur équivalente aux chiffres obtenus lorsqu’on mesure l’énergie solaire à partir des radiations qui illuminent et chauffent la Terre (3,84 × 1026 watts). La confrontation de ces deux mesures montre que le Soleil est en complet équilibre thermodynamique : son activité n’a pratiquement pas changé depuis plus de cent mille ans. Ces résultats confortent les connaissances actuelles sur la dynamique du soleil et confirment que notre étoile continuera à fonctionner de manière analogue pendant cent mille ans au moins.

Cette nouvelle mesure permet à l’expérience Borexino de compléter la spectroscopie des neutrinos solaires et de réaliser une performance unique. Ce détecteur est en effet le seul au monde à avoir mesuré le flux des neutrinos pp, les plus nombreux, mais les plus difficiles à détecter.

De façon générale, les neutrinos, qui n’interagissent que par interaction faible, ne s’observent pas facilement et, pour la mesure effectuée cette fois-ci, la difficulté supplémentaire est due à l’énergie extrêmement faible des neutrinos pp. Le détecteur Borexino est particulièrement performant pour éliminer les bruits de fond qui perturbent les mesures à basse énergie. Il est abrité sous 1400 mètres de roches qui absorbent les rayons cosmiques et la haute technologie développée par l’expérience permet de supprimer les traces de radioactivité à un niveau encore jamais atteint (dix milliards de fois moins de radioactivité que dans un verre d’eau). Ce sont ces caractéristiques uniques qui ont permis cette première mondiale.