Les neutrinos – des particules brillantes qui interagissent rarement avec la matière normale – sont les messagers secrètes du soleil. Ces particules naissent profondément au soleil, un sous-produit du processus de fusion nucléaire qui alimente toutes les étoiles.
Les neutrinos échappent au soleil et au ruisseau à travers la Terre en quantités immenses. Ces particules sont imprimées avec des informations sur le fonctionnement interne du soleil.
Notre nouvel article théorique publié dans Lettres d'examen physique montre que l'expérience de neutrinos souterraines profondes (Dune), actuellement en construction, nous aidera à déverrouiller les secrets les plus profonds de ces messagers solaires.
Un «remède désespéré»
Les neutrinos sont les plus mystérieux des particules fondamentales connues. Ils ont d'abord été proposés par le physicien théoricien autrichien Wolfgang Pauli en 1930, à une époque où les seules particules subatomiques connues étaient l'électron et le proton.
Pauli a introduit le neutrino pour expliquer les observations déroutantes de la désintégration bêta nucléaire, dans laquelle un noyau instable émet un électron.
Le problème était que moins d'énergie avait été libérée que prévu – appariant pour violer la loi de conservation de l'énergie.
Le « remède désespéré » de Pauli à ce dilemme était de proposer qu'une particule supplémentaire est émise: le neutrino.
Pour faire correspondre les observations, cette nouvelle particule devrait être très légère (moins de 1% de la masse du proton) et interagir extrêmement faiblement avec la matière régulière.
Pauli a écrit dans son journal: « J'ai fait quelque chose de très mal aujourd'hui en proposant une particule qui ne peut pas être détectée; c'est quelque chose qu'aucun théoricien ne devrait jamais faire. »
Pourtant les détecter que nous avons fait.
Il a fallu 26 ans avant que les neutrinos ne soient détectés directement en 1956 (provenant des réacteurs nucléaires), mais même à la fin des années 1930, il a été compris que le soleil devait produire un immense flux de neutrinos comme sous-produit de la fusion nucléaire.
Nous avons maintenant détecté un très grand nombre de neutrinos du soleil et ailleurs.
Et, en cours de route, la détection des neutrinos a conduit à quatre prix Nobel (1988, 1995, 2002 et 2015) et à compter.
Pourquoi le soleil brille-t-il?
En 1938, le physicien germano-américain Hans Bethe a correctement suggéré que la source principale du pouvoir du soleil était due à la fusion nucléaire de protons – donnant finalement une réponse à la question séculaire: qu'est-ce qui fait briller le soleil?
Dans le cœur du soleil, les noyaux sont forcés ensemble sous une immense pression, fusionnant parfois et libérant à la fois l'énergie et les neutrinos.
Les détails exacts des processus de fusion du soleil sont très sensibles aux propriétés solaires que nous n'avons pas la capacité de mesurer à partir de la Terre, comme la température du noyau solaire et l'abondance précise de certains éléments, comme le bore.
Pour confirmer notre compréhension de la façon dont le soleil brille, les physiciens avaient besoin d'un moyen d'accéder à l'intérieur solaire.
Les neutrinos solaires entrent au fond du soleil et, en raison de leur petite masse et de leur nature fantomatique, partent rapidement à proximité de la vitesse de la lumière, transportant des informations sur les réactions qui les ont nés.
En effectuant des mesures de ces neutrinos, nous pouvons décoder les messages qu'ils transportent de l'intérieur du soleil.
Cependant, parce que les neutrinos ne se comportent pas comme des matières « régulières » et n'interagissent que par la « faible force nucléaire », ils sont notoirement difficiles à détecter.
Le problème de neutrinos solaire
L'expérience de l'habitation (ou Davis), lancée par le chimiste et physicien américain Ray Davis à la fin des années 60, était située dans une mine d'or de 1480 mètres sous les collines noires du Dakota du Sud.
Cela a protégé le détecteur du «bruit», comme des rayons cosmiques potentiellement confondants.
Il a utilisé un immense 380 000 litres (ou 615 tonnes) de liquide de nettoyage à sec, riche en chlore, comme détecteur. Les neutrinos convertiront occasionnellement le chlore en argon radioactif, et le nombre d'atomes d'argon peut ensuite être compté.
Malgré cette échelle colossale, l'expérience n'a initialement détecté qu'un seul neutrino tous les deux jours.
Ce résultat a été en désaccord frappant avec le taux de détection des neutrinos théoriquement prévu – environ les deux tiers des neutrinos semblaient manquants.
Cela a été surnommé le «problème de neutrinos solaire».
On soupçonnait initialement qu'il y avait quelque chose qui ne va pas avec les modèles solaires. Par exemple, le flux de neutrinos boron-8 est extrêmement sensible à la température du noyau solaire (pour être précis, cela dépend de la température à la 24e puissance).
Les sceptiques se sont demandé s'il y avait vraiment un écart de « neutrinos manquant ».
Cependant, les modèles solaires ont été affinés et de meilleures mesures ont confirmé que le problème du neutrinos solaire était réel.
Il s'avère que les neutrinos changent d'identité lorsqu'ils voyagent.
Les neutrinos sont disponibles en trois types: le neutrino électronique, le neutrino MU et le neutrino tau. Les processus de fusion nucléaire au soleil ne font que les neutrinos de type électronique.
Mais au fur et à mesure qu'ils se déplacent dans l'espace, ils changent de type et certains arrivent sur la Terre sous forme de neutrinos MU ou tau – invisibles à l'expérience de l'habitant.
Cette capacité de changement de forme est due à un effet d'interférence mécanique quantique, qui permet aux neutrinos de osciller d'avant en arrière, d'un type à un autre, sur de grandes distances.
La confirmation ultime des oscillations de neutrinos solaires est venue trois décennies plus tard, de l'Observatoire de neutrinos de Sudbury (SNO), qui a utilisé deux processus de détection distincts: les interactions actuelles chargées (CC), qui ne peuvent détecter que les neutrinos de type électronique; et les interactions de courant neutre (NC), qui peuvent détecter tous les types de neutrinos.
La comparaison entre les deux sans équivoque a démontré que, à peu près, les deux tiers des neutrinos de type électronique produit au soleil ont changé l'identité au moment où ils se présentent sur Terre.
Dune (mais pas arrakis)
La mine d'accueil est à nouveau à l'avant-garde des études solaires sur les neutrinos, avec une nouvelle expérience appelée Dune.
Bien que Dune n'était pas principalement conçu pour détecter les neutrinos solaires, nous avons montré que Dune sera en mesure de faire quelque chose comme SNO, mais beaucoup mieux.
Dune est un nouveau détecteur de neutrinos massif qui comprendra environ 70 000 tonnes d'argon liquide, situé dans une immense chambre nouvellement excavée dans le centre de recherche souterrain de Sanford (surf), au coût de plus de 3 milliards de dollars américains.
Il s'agit de la plus grande quantité d'argon liquide qui est susceptible d'être amassée en un seul endroit.
Alors que Pauli craignait que les neutrinos ne soient jamais détectés, nous entrons maintenant à une époque de physique des neutrinos de précision, rendue possible par des détecteurs vraiment énormes qui détecteront plusieurs centaines de milliers de neutrinos – une centaine de cent par jour.
Notre nouvel article montre que Dune sera en mesure de mesurer le flux total de tous les types de neutrinos en utilisant les interactions NC avec les noyaux d'argon.
Dune ne devait pas avoir cette capacité, mais nous avons constaté que ces interactions sont plus fréquentes et plus faciles à observer qu'on ne le pensait auparavant.
Un article antérieur a montré que Dune sera également en mesure de mesurer le flux de neutrinos de type électronique en utilisant les interactions CC avec l'argon.
Ensemble, ces nouvelles capacités permettra à Dune de comparer les taux d'interactions CC et NC pour effectuer une mesure de haute précision de la fraction des neutrinos qui changent de saveur.
Cela permettra des mesures très précises de ces propriétés de changement de forme quantique des neutrinos.
Il fournira également une mine d'informations sur les secrets profonds au cœur de notre soleil et, finalement, les lois fondamentales de l'univers.
