Le détecteur Borexino, un instrument hyper-sensible situé dans les profondeurs de l’Italie, a finalement réussi la tâche presque impossible de détecter les neutrinos CNO provenant du noyau de notre soleil. Ces particules peu connues révèlent le dernier détail manquant du cycle de fusion qui alimente notre soleil et d’autres étoiles, et pourraient répondre à des questions encore en suspens sur la composition du soleil. Crédit : Borexino Collaboration
Un instrument hyper-sensible, situé dans les profondeurs de l’Italie, a finalement réussi la tâche presque impossible de détecter les neutrinos CNO (de minuscules particules indiquant la présence de carbone, d’azote et d’oxygène) provenant du noyau de notre soleil. Ces particules peu connues révèlent le dernier détail manquant du cycle de fusion qui alimente notre soleil et d’autres étoiles.
Dans des résultats publiés le 26 novembre 2020 dans la revue Nature (et présentés en couverture), les chercheurs de la collaboration Borexino rapportent les premières détections de ce type rare de neutrinos, appelés « particules fantômes » car ils traversent la plupart des matières sans laisser de trace.
Les neutrinos ont été détectés par le détecteur Borexino, une énorme expérience souterraine dans le centre de l’Italie. Le projet multinational est soutenu aux États-Unis par la National Science Foundation dans le cadre d’une subvention partagée supervisée par Frank Calaprice, professeur de physique émérite à Princeton, Andrea Pocar, diplômée de Princeton en 2003 et professeur de physique à l’Université du Massachusetts-Amherst, et Bruce Vogelaar, professeur de physique à l’Institut polytechnique de Virginie et à l’Université d’État (Virginia Tech).
La détection de la « particule fantôme » confirme les prédictions des années 1930 selon lesquelles une partie de l’énergie de notre soleil est générée par une chaîne de réactions impliquant le carbone, l’azote et l’oxygène (CNO). Cette réaction produit moins de 1 % de l’énergie du soleil, mais on pense qu’elle est la principale source d’énergie dans les grandes étoiles. Ce processus libère deux neutrinos – les particules élémentaires de matière les plus légères connues – ainsi que d’autres particules subatomiques et de l’énergie. Le processus plus abondant de fusion de l’hydrogène en hélium libère également des neutrinos, mais leurs signatures spectrales sont différentes, ce qui permet aux scientifiques de les distinguer.
« La confirmation de la combustion du CNO dans notre soleil, où elle ne fonctionne qu’à un niveau de 1%, renforce notre confiance dans notre compréhension du fonctionnement des étoiles », a déclaré Calaprice, l’un des initiateurs et principaux chercheurs de Borexino.
Les neutrinos du CNO : Fenêtres sur le soleil
Pendant une grande partie de leur vie, les étoiles obtiennent de l’énergie en fusionnant l’hydrogène en hélium. Dans les étoiles comme notre soleil, cela se produit principalement par des chaînes proton-proton. Cependant, dans les étoiles plus lourdes et plus chaudes, le carbone et l’azote catalysent la combustion de l’hydrogène et libèrent des neutrinos CNO. La découverte de ces neutrinos nous aide à comprendre le fonctionnement de l’intérieur du soleil. Lorsque le détecteur Borexino a découvert des neutrinos proton-proton, la nouvelle a illuminé le monde scientifique.
Mais les neutrinos CNO ne confirment pas seulement que le processus CNO est à l’œuvre dans le soleil, ils peuvent aussi aider à résoudre une importante question ouverte en physique stellaire : quelle proportion de l’intérieur du soleil est composée de « métaux », que les astrophysiciens définissent comme tout élément plus lourd que l’hydrogène ou l’hélium, et si la « métallicité » du noyau correspond à celle de la surface du soleil ou des couches extérieures.
Malheureusement, les neutrinos sont excessivement difficiles à mesurer. Plus de 400 milliards d’entre eux frappent chaque centimètre carré de la surface de la Terre chaque seconde, mais la quasi-totalité de ces « particules fantômes » traversent toute la planète sans interagir avec quoi que ce soit, ce qui oblige les scientifiques à utiliser des instruments très grands et très soigneusement protégés pour les détecter.
Le détecteur Borexino se trouve à un demi-mile sous les Apennins, dans le centre de l’Italie, aux Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) de l’Institut national italien de physique nucléaire, où un ballon géant en nylon – d’une trentaine de pieds de diamètre – rempli de 300 tonnes d’hydrocarbures liquides ultra-purs est maintenu dans une chambre sphérique multicouche immergée dans l’eau. Une infime partie des neutrinos qui traversent la planète rebondissent sur les électrons de ces hydrocarbures, produisant des flashs lumineux qui peuvent être détectés par les capteurs de photons qui tapissent le réservoir d’eau. La grande profondeur, la taille et la pureté font de Borexino un détecteur vraiment unique pour ce type de science.
Le projet Borexino a été initié au début des années 1990 par un groupe de physiciens dirigé par Calaprice, Gianpaolo Bellini de l’Université de Milan et le regretté Raju Raghavan (alors aux Bell Labs). Au cours des 30 dernières années, des chercheurs du monde entier ont contribué à trouver la chaîne proton-proton des neutrinos et, il y a environ cinq ans, l’équipe a commencé la chasse aux neutrinos CNO.
Suppression du fond
« Les 30 dernières années ont consisté à supprimer le fond radioactif », a déclaré Calaprice.
La plupart des neutrinos détectés par Borexino sont des neutrinos proton-proton, mais quelques-uns sont reconnaissables comme des neutrinos CNO. Malheureusement, les neutrinos CNO ressemblent aux particules produites par la désintégration radioactive du polonium 210, un isotope qui fuit du gigantesque ballon en nylon. Séparer les neutrinos du soleil de la contamination au polonium a nécessité un effort minutieux, mené par les scientifiques de Princeton, qui a débuté en 2014. Comme il était impossible d’empêcher les radiations de s’échapper du ballon, les scientifiques ont trouvé une autre solution : ignorer les signaux provenant du bord extérieur contaminé de la sphère et protéger l’intérieur profond du ballon. Pour ce faire, ils ont dû ralentir considérablement la vitesse de déplacement des fluides à l’intérieur du ballon. La plupart des flux de fluides sont entraînés par les différences de chaleur. L’équipe américaine s’est donc efforcée d’obtenir un profil de température très stable pour le réservoir et les hydrocarbures, afin de rendre le fluide aussi immobile que possible. La température a été cartographiée avec précision par un réseau de sondes de température installé par le groupe de Virginia Tech, dirigé par Vogelaar.
« Si ce mouvement pouvait être suffisamment réduit, nous pourrions alors observer les quelque cinq reculs de faible énergie attendus par jour qui sont dus aux neutrinos du CNO », a déclaré Calaprice. « À titre de référence, un pied cube d' »air frais » – qui est mille fois moins dense que le fluide hydrocarboné – subit environ 100 000 désintégrations radioactives par jour, principalement dues au radon. »
Pour assurer l’immobilité au sein du fluide, les scientifiques et ingénieurs de Princeton et de Virginia Tech ont mis au point du matériel pour isoler le détecteur – essentiellement une couverture géante à envelopper – en 2014 et 2015, puis ils ont ajouté trois circuits de chauffage qui maintiennent une température parfaitement stable. Ceux-ci ont réussi à contrôler la température du détecteur, mais les changements de température saisonniers dans le Hall C, où se trouve Borexino, provoquaient toujours la persistance de minuscules courants de fluide, obscurcissant le signal CNO.
Donc deux ingénieurs de Princeton, Antonio Di Ludovico et Lidio Pietrofaccia, ont travaillé avec l’ingénieur du personnel du LNGS, Graziano Panella, pour créer un système spécial de traitement de l’air qui maintient une température d’air stable dans le Hall C. Le système de contrôle actif de la température (ATCS), développé fin 2019, a finalement produit suffisamment de stabilité thermique à l’extérieur et à l’intérieur du ballon pour calmer les courants à l’intérieur du détecteur, empêchant finalement les isotopes contaminants d’être transportés des parois du ballon vers le cœur du détecteur.
L’effort a porté ses fruits.
« L’élimination de ce fond radioactif a créé une région de faible fond de Borexino qui a rendu possible la mesure des neutrinos CNO », a déclaré Calaprice.
« Les données sont de mieux en mieux »
Avant la découverte des neutrinos CNO, le laboratoire avait prévu de mettre fin aux opérations de Borexino à la fin de 2020. Maintenant, il semble que la collecte de données pourrait se prolonger jusqu’en 2021.
Le volume d’hydrocarbures immobiles au cœur du détecteur Borexino a continué de croître en taille depuis février 2020, lorsque les données de l’article de Nature ont été collectées. Cela signifie que, au-delà de la révélation des neutrinos CNO qui font l’objet de l’article de Nature de cette semaine, il y a maintenant un potentiel pour aider à résoudre également le problème de la « métallicité » – la question de savoir si le noyau, les couches externes et la surface du soleil ont tous la même concentration d’éléments plus lourds que l’hélium ou l’hydrogène.
« Nous avons continué à collecter des données, alors que la pureté centrale a continué à s’améliorer, faisant d’un nouveau résultat axé sur la métallicité une réelle possibilité », a déclaré Calaprice. « Non seulement nous continuons à collecter des données, mais les données s’améliorent de plus en plus. »
Pour en savoir plus sur cette recherche:
- Les neutrinos apportent la première preuve expérimentale du mécanisme de production d’énergie CNO de l’Univers
- Comprendre le pouvoir de « combustion de l’hydrogène » de notre Soleil
Référence : « Preuve expérimentale de neutrinos produits dans le cycle de fusion CNO dans le Soleil » par The Borexino Collaboration, 25 novembre 2020, Nature.
DOI : 10.1038/s41586-020-2934-0
Les autres Princetoniens de l’équipe Borexino sont Jay Benziger, professeur émérite d’ingénierie chimique et biologique, qui a conçu le fluide super purifié du détecteur ; Cristiano Galbiati, professeur de physique ; Paul LaMarche, aujourd’hui vice-provost pour la programmation et la planification spatiales, qui était le chef de projet initial de Borexino ; XueFeng Ding, associé de recherche postdoctorale en physique ; et Andrea Ianni, chef de projet en physique.
Comme beaucoup de scientifiques et d’ingénieurs du collectif Borexino, Vogelaar et Pocar ont débuté dans le projet alors qu’ils étaient dans le laboratoire de Calaprice à Princeton. Vogelaar a travaillé sur le ballon en nylon alors qu’il était chercheur puis professeur adjoint à Princeton, et sur l’étalonnage, le contrôle du détecteur, la modélisation de la dynamique des fluides et la stabilisation thermique à Virginia Tech. Pocar a travaillé sur la conception et la construction du ballon en nylon et sur la mise en service du système de manipulation des fluides à Princeton. Il a ensuite travaillé avec ses étudiants à l’UMass-Amherst sur l’analyse des données et les techniques de caractérisation des fonds pour le CNO et d’autres mesures de neutrinos solaires.
Ces travaux ont été soutenus aux États-Unis par la National Science Foundation, l’université de Princeton, l’université du Massachusetts et Virginia Tech. Borexino est une collaboration internationale également financée par l’Institut national italien de physique nucléaire (INFN), et des agences de financement en Allemagne, en Russie et en Pologne.