Borexino à l'écoute du coeur du Soleil

Dans le cadre de l'expérience Borexino, installée au laboratoire souterrain du Gran Sasso (Italie) et dédiée à l'étude des neutrinos solaires de très basse énergie, les physiciens, dont ceux de l'IN2P3/CNRS(1), ont mesuré avec une précision inégalée le flux des neutrinos du béryllium et son asymétrie jour/nuit. Leurs résultats confirment la validité du modèle qui décrit le fonctionnement de notre étoile et ses mécanismes de production d'énergie mais s'avèrent aussi essentiels pour la compréhension de l'oscillation des neutrinos. Grâce à la sensibilité exceptionnelle du détecteur Borexino, l'énergie-seuil de détection de ces neutrinos a été réduite d'un facteur 10 par rapport aux expériences antérieures.

Le Soleil est en bonne santé: ce sont les neutrinos observés et étudiés dans le cadre de l'expérience Borexino qui le disent. Borexino a pour but d'observer en temps réel les neutrinos produits au coeur du Soleil, là où la température est suffisamment élevée (15 millions de degrés) pour initier un cycle de réactions nucléaires dont la réaction de base est la fusion de deux protons.


Les réactions nucléaires émettent de l'énergie, qui nous parvient du Soleil sous forme de lumière visible. Mais cette "lumière" met plus de 100 000 ans en moyenne pour rejoindre le bord de l'étoile. Comme ils interagissent très faiblement avec la matière, les neutrinos s'enfuient du Soleil, à la vitesse de la lumière, en moins de 3 secondes, avant de voyager en 8 minutes jusqu'à la Terre ! Ils sont donc un messager privilégié, un témoin quasi instantané de ce qui se passe au coeur du Soleil. Lorsque le Soleil arrivera au bout de son combustible, dans quelques milliards d'années, toute variation du flux de neutrinos nous renseignera immédiatement.

Les neutrinos de haute énergie (> 5 MeV), observés dans les expériences comme SuperKamiokande au Japon et SNO au Canada, proviennent d'une réaction nucléaire qui ne contribue qu'à une infime partie de l'énergie du Soleil. Les neutrinos solaires de très basse énergie (< 1 MeV) représentent quant à eux la majorité des 65 milliards de neutrinos solaires qui traversent chaque cm2 de la Terre chaque seconde: ce sont ces neutrinos qui sont détectés par Borexino. Ils interagissent avec les électrons de la cible centrale de Borexino, constituée de 300 tonnes de liquide scintillant. La lumière émise lors de chaque interaction est alors recueillie par plus de 2000 photomultiplicateurs qui tapissent les parois du détecteur.

Ces interactions sont cependant très rares et exigent une sensibilité élevée du détecteur: grâce à la technologie particulièrement originale et sophistiquée développée par les physiciens de la collaboration, les signaux très faibles ont été isolés des bruits de fond liés à la radioactivité naturelle.

Deux résultats significatifs ont été obtenus par la collaboration Borexino:

• environ 50 interactions de neutrinos dits "neutrinos du 7Be (béryllium)", d'une énergie de 0,862 MeV et émis lors d'une réaction nucléaire essentielle, ont été mesurées par jour, avec une précision inférieure à 5%: ce flux constitue une observable importante qui contraint de manière sensible les modèles astrophysiques du Soleil. Il est également parfaitement cohérent avec le mécanisme d'oscillation (transformation partielle des neutrinos électroniques ?e produits par le Soleil en neutrinos muoniques ?µ ou neutrinos tauiques ??) et confirme les valeurs des paramètres d'oscillation déterminées par les expériences antérieures.

• la mesure extrêmement précise (incertitude de 1%) de l'asymétrie entre les neutrinos qui arrivent durant le jour et ceux qui arrivent durant la nuit(2). À elles seules, les données de l'expérience Borexino suffisent à confirmer les résultats de l'ensemble des expériences sur les neutrinos solaires et auprès des réacteurs nucléaires.

L'expérience Borexino est le fruit d'une collaboration entre l'Italie, l'Allemagne, les États-Unis, la Russie, la Pologne et la France, qui regroupe plus de 100 physiciens, ingénieurs et techniciens(3). En France, les chercheurs du laboratoire Astroparticule et cosmologie - APC (CNRS/CEA/Université Paris Diderot/Observatoire de Paris) ont rejoint la collaboration en 2000.

Notes

(1) Laboratoire Astroparticule et cosmologie - APC (CNRS/CEA/Université Paris Diderot/Observatoire de Paris)

(2) Cette asymétrie a été prédite pour la première fois par une équipe francaise de Saclay (aujourd'hui en partie au laboratoire APC) il y a 25 ans: pour certaines valeurs des paramètres de l'oscillation, les neutrinos ne qui se seraient transformés entre le Soleil et la Terre seraient en partie régénérés lors de leur traversée de la Terre durant la nuit.

(3) L'expérience Borexino est pilotée par l'Istituto nazionale di fisica nucleare (INFN) italien. Son porte-parole est le professeur G. Bellini (Université de Milan).