Une équipe internationale d’environ 100 scientifiques de la Collaboration Borexino, dont le physicien des particules Andrea Pocar de l’Université du Massachusetts à Amherst, rapportent cette semaine dans Nature la détection de neutrinos du soleil, révélant directement pour la première fois que le carbone-azote-oxygène ( CNO) fusion-cycle est à l’œuvre dans notre soleil.
Le cycle CNO est la source d’énergie dominante alimentant les étoiles plus lourdes que le soleil, mais il n’avait jusqu’à présent jamais été directement détecté dans aucune étoile, explique Pocar.
Pendant une grande partie de leur vie, les étoiles obtiennent de l’énergie en fusionnant l’hydrogène en hélium, ajoute-t-il. Dans les étoiles comme notre soleil ou plus léger, cela se produit principalement à travers les chaînes «proton-proton». Cependant, de nombreuses étoiles sont plus lourdes et plus chaudes que notre soleil et incluent des éléments plus lourds que l’hélium dans leur composition, une qualité connue sous le nom de métallicité. La prédiction depuis les années 1930 est que le cycle CNO sera dominant dans les étoiles lourdes.
Les neutrinos émis dans le cadre de ces processus fournissent une signature spectrale permettant aux scientifiques de distinguer ceux de la «chaîne proton-proton» de ceux du «cycle CNO». Pocar souligne: « La confirmation de la combustion de CNO dans notre soleil, où il fonctionne à seulement un pour cent, renforce notre confiance dans notre compréhension du fonctionnement des étoiles. »
Au-delà de cela, les neutrinos CNO peuvent aider à résoudre une question ouverte importante en physique stellaire, ajoute-t-il. Autrement dit, comment la métallicité centrale du soleil, qui ne peut être déterminée que par le taux de neutrinos CNO du cœur, est liée à la métallicité ailleurs dans une étoile. Les modèles traditionnels se sont heurtés à une difficulté – les mesures de métallicité de surface par spectroscopie ne concordent pas avec les mesures de métallicité souterraine déduites d’une méthode différente, les observations d’héliosismologie.
Pocar dit que les neutrinos sont vraiment la seule sonde directe dont dispose la science pour le noyau des étoiles, y compris le soleil, mais ils sont extrêmement difficiles à mesurer. Jusqu’à 420 milliards d’entre eux atteignent chaque pouce carré de la surface de la terre par seconde, mais pratiquement tous passent à travers sans interagir. Les scientifiques ne peuvent les détecter qu’à l’aide de très grands détecteurs avec des niveaux de rayonnement de fond exceptionnellement bas.
Le détecteur Borexino se trouve profondément sous les montagnes des Apennins, dans le centre de l’Italie, au Laboratori Nazionali del Gran Sasso de l’INFN. Il détecte les neutrinos comme des éclairs de lumière produits lorsque les neutrinos entrent en collision avec des électrons dans 300 tonnes de scintillateur organique ultra-pur. Sa grande profondeur, sa taille et sa pureté font de Borexino un détecteur unique pour ce type de science, seul dans sa catégorie pour les rayonnements à faible bruit de fond, dit Pocar. Le projet a été lancé au début des années 1990 par un groupe de physiciens dirigé par Gianpaolo Bellini à l’Université de Milan, Frank Calaprice à Princeton et le regretté Raju Raghavan aux Bell Labs.
Jusqu’à ses dernières détections, la collaboration Borexino avait mesuré avec succès les composants des flux de neutrinos solaires « proton-proton », aidé à affiner les paramètres d’oscillation de la saveur des neutrinos et, de manière plus impressionnante, même mesuré la première étape du cycle: la très basse énergie » pp ‘neutrinos, se souvient Pocar.
Ses chercheurs rêvaient d’élargir le champ scientifique pour rechercher également les neutrinos CNO – dans une région spectrale étroite avec un fond particulièrement bas – mais ce prix semblait hors de portée. Cependant, des groupes de recherche à Princeton, Virginia Tech et UMass Amherst pensaient que les neutrinos CNO pourraient encore être révélés en utilisant les étapes et méthodes de purification supplémentaires qu’ils avaient développées pour réaliser l’exquise stabilité du détecteur requise.
Au fil des ans et grâce à une séquence de démarches pour identifier et stabiliser les origines, les scientifiques américains et l’ensemble de la collaboration ont réussi. « Au-delà de la révélation des neutrinos CNO qui est le sujet de l’article Nature de cette semaine, il existe même maintenant un potentiel pour aider à résoudre le problème de la métallicité », dit Pocar.
Avant la découverte des neutrinos du CNO, le laboratoire avait programmé la fin des opérations de Borexino à la fin de 2020. Mais comme les données utilisées dans l’analyse pour l’article Nature ont été gelées, les scientifiques ont continué à collecter des données, la pureté centrale continuant de s’améliorer, faire d’un nouveau résultat axé sur la métallicité une réelle possibilité, dit Pocar. La collecte de données pourrait s’étendre jusqu’en 2021, car la logistique et les permis requis, lorsqu’ils sont en cours, ne sont pas triviaux et prennent du temps. «Chaque jour supplémentaire aide», remarque-t-il.
Pocar participe au projet depuis ses études supérieures à Princeton dans le groupe dirigé par Frank Calaprice, où il a travaillé sur la conception, la construction du navire en nylon et la mise en service du système de traitement des fluides. Il a ensuite travaillé avec ses étudiants de l’UMass Amherst sur l’analyse des données et, plus récemment, sur les techniques permettant de caractériser les arrière-plans pour la mesure des neutrinos CNO.
Ce travail a été soutenu aux États-Unis par la National Science Foundation. 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.