Un flux de matière « noire » prédit pour le Soleil existe bien !

Il y a aujourd'hui plus de neutrinos fossiles du Big Bang que de photons du rayonnement fossile dans un volume d'espace. Or les neutrinos ont une très faible masse, mais pas de charge électrique, ce qui fait qu'ils ne rayonnent pas, et peuvent traverser plusieurs fois l'épaisseur de la Terre avant d'être arrêtés.

Techniquement, ce sont des particules de matière noire dont l'existence est attestée, sauf qu'ils sont trop légers, de sorte que même s'ils baignent les galaxies et les amas de galaxies en tant que gaz relique du Big Bang, leur distribution exerce des forces de gravité négligeables. Ils ne sont donc qu'une composante très mineure de la matière noire traquée dans le cosmos observable.

Peut-on voir les neutrinos du Big Bang ?

Les neutrinos sont omniprésents dans l'Univers où ils sont plus nombreux que les photons du rayonnement fossile et même, de très loin, que les particules de matière ordinaire. Très difficiles à détecter, on cherche pourtant à étudier ceux du Big Bang.... Lire la suite

Par contre, des détecteurs de matière noire sur Terre peuvent en théorie observer des neutrinos du Big Bang et encore plus le flux très important qui est produit par le Soleil en raison des réactions thermonucléaires qu'il produit dans son cœur.

Olivier Drapier, chercheur au Laboratoire Leprince-Ringuet de l’École polytechnique, CNRS, nous parle des neutrinos, ces particules de matière que l'on peut utiliser pour étudier les étoiles et l'Univers. © École polytechnique

Qu'est-ce qui fait briller le Soleil ?

Rappelons que c'est depuis au moins le XVIIIe siècle que les physiciens réfléchissaient à la nature de la source d'énergie faisant briller le Soleil et les étoiles, lorsque la solution a enfin été trouvée lors des années 1930. Il a fallu pour cela attendre la découverte des principes de la théorie quantique et le développement de la physique nucléaire. Entretemps, plusieurs hypothèses avaient été réfutées, comme celle de réactions de combustion chimique (proposée par Kant), ou encore la libération de l'énergie gravitationnelle par contraction. Ce mécanisme proposé par Kelvin et Helmholtz ne permet de rendre compte que de la luminosité des protoétoiles.

Le prix Nobel de physique 1967 Hans Bethe. © Nobel Foundation archive 

C'est au prix Nobel de physique Hans Bethe essentiellement (mais on pourrait citer des travaux précurseurs et indépendants de Carl Von Weizsäcker) que l'on doit la découverte des réactions de fusion thermonucléaire, s'accompagnant de désintégrations radioactives avec émission de neutrinos, à l'origine de l'énergie des étoiles.

Bethe est en particulier le découvreur de la chaîne proton-proton faisant essentiellement briller le Soleil qui, après une cascade de réactions, conduit à la production de noyaux d'hélium 4 à partir de noyaux d'hydrogène.

Fils de l'ambassadeur d'Allemagne Ernst von Weizsäcker, et frère du président allemand (1984 1994), Richard von Weizsäcker, Carl Friedrich était le jeune protégé de Werner Heisenberg et Niels Bohr lorsqu'il commença des études de physique, mathématique et astronomie en 1929. Passionné toute sa vie par la philosophie, dont il fut professeur de 1957 à 1959 à l'université de Hambourg, il n'en était pas moins un physicien accompli. © Bundesarchiv, B 422 Bild-0174, CC by-sa 3.0

On pense que si la chaîne proton-proton est la réaction dominante de production d'énergie de notre étoile, s'y ajoute une réaction proton-électron-proton qui produit des noyaux de deutérium. Si le Soleil était plus massif, un cycle de réactions proposées indépendamment par Bethe et Carl Friedrich von Weizsäcker tiendrait une place importante : le cycle CNO. Il est présent dans notre étoile, mais contribue peu à sa production d'énergie.

Les détails de la chaîne proton-proton (pp) de Bethe libérant des photons (γ). Elle conduit finalement à la synthèse de l'hélium 4 (4He) selon 3 canaux : ppI, ppII et ppIII. On voit aussi la réaction proton-électron-proton (pep) conduisant à la synthèse du deutérium (2H) et qui s'accompagne de l'émission de neutrinos. Des noyaux d'hélium 3 (3He), de lithium (Li) et de béryllium (Be) sont des intermédiaires de réaction. © Dorottya Szam-Wikipédia
 

Les neutrinos de la fusion des protons

Il se trouve qu'aujourd'hui, comme le montre un article déposé sur arXiv, l'équipe de physiciens utilisant le détecteur de matière noire XENONnT a annoncé la première observation avec ce détecteur de neutrinos solaires de basse énergie diffusés par des électrons (le signal observé a une signification statistique de 5 sigma - le seuil traditionnellement utilisé en physique des particules pour revendiquer une découverte). Ce sont précisément les neutrinos pp produits lors des réactions de fusion proton-proton qui alimentent le Soleil et qui représentent la très grande majorité de son émission de neutrinos.

XENONnT est la dernière version d'un instrument développé de longue date et installé à 1 400 mètres sous le massif du Gran Sasso en Italie (voir les explications plus développées dans les nombreux articles que Futura a consacrés à cette saga dans le lien ci-dessous). Il contient 5,9 tonnes de xénon liquide ultrapure. La raison d'une telle masse est facile à comprendre.

Un neutrino n'a pas de chargé électrique, mais il en a l'équivalent du point de vue de la force nucléaire faible de sorte qu'il peut entrer en collision avec un électron, électron qui se trouve alors doté d'un mouvement et d'une énergie donnée qu'un détecteur comme XENONnT peut détecter et mesurer pour en déduire le passage d'un neutrino solaire produit par la fusion des protons comme le montre ce schéma. © XENON Collaboration

Imaginez un atome spécifique qui a une chance sur un milliard d'entrer en collision avec une particule de matière noire chaque année. Pour avoir une chance d'avoir une détection presque assurée par an, il faut donc un détecteur avec un milliard de ces atomes. Au cours des deux dernières décennies, des versions de plus en plus massives du détecteur XENON ont donc été construites en l'absence de signal, ce qui signifiait à chaque fois que les particules de matière noire avaient une probabilité encore plus faible qu'on ne le pensait d'entrer en interaction avec la matière ordinaire.

La matière noire pointe-t-elle enfin le bout de son nez dans Xenon 1T ?

Le détecteur géant Xenon 1T voit pour la première fois un excès d'événements comme le disent les physiciens dans leur jargon. Le nombre de ces événements est encore trop faible pour être significatif, comme le savent tous les statisticiens débutants, mais les observations suggèrent que la découverte des particules de matière noire n'est peut-être pas très loin. Il pourrait par exemple s'agir d'axions.... Lire la suite

Son immense volume de xénon liquide ultrapure et la réduction extrême des contaminations radioactives, notamment du radon, permettent désormais à XENONnT de devenir également un détecteur de neutrinos particulièrement sensible et l'un des observatoires les plus sensibles au monde pour l'étude des interactions rares de particules à basse énergie.

BOREXINO : les neutrinos solaires en direct !

La physique des neutrinos est riche et elle possède de nombreuses applications en astrophysique et en cosmologie. L’une d’entre elles nous concerne de très près puisqu’elle est à l’origine de l’énergie faisant briller le Soleil. Comme les neutrinos sont de plus extraordinairement pénétrants - ils peuvent traverser 300 "Terre" mises bout à bout avant d’être arrêtés - ils constituent un moyen direct pour sonder le cœur de notre étoile et valider nos théories sur les modèles stellaires. L’expérience BOREXINO en Italie vient de réussir à mesurer pour la première fois le flux de neutrinos à basses énergies et surtout en temps réel.... Lire la suite

L'expérience atteint un seuil d'environ 17 keV, le plus bas jamais obtenu pour une observation directe de neutrinos, contre environ 335 keV pour Borexino.

Cette avancée prépare enfin la future expérience XLZD, environ dix fois plus massive, qui devrait atteindre une sensibilité encore supérieure pour la recherche de matière noire et permettre des mesures très précises des neutrinos solaires de basse énergie.