Pendant la majeure partie de leur existence, les étoiles sont alimentées par la fusion de l’hydrogène en hélium. La fusion se déroule selon deux processus bien compris théoriquement : la chaîne proton-proton (p-p) et le cycle carbone-azote-oxygène (CNO). Les neutrinos qui sont émis le long de ces processus dans le noyau solaire sont la seule sonde directe de l’intérieur profond du Soleil. Une étude spectroscopique complète des neutrinos de la chaîne p-p, qui produit environ 99 % de l’énergie solaire, a déjà été réalisée. Maintenant, les physiciens de la collaboration Borexino rapportent l’observation directe des neutrinos produits dans le cycle CNO dans le Soleil. Cette preuve expérimentale a été obtenue à l’aide d’un détecteur de neutrinos de grand volume appelé Borexino, qui se trouve dans les Laboratori Nazionali del Gran Sasso, en Italie.
Le 31 août 2012, un long filament de matière solaire qui planait dans l’atmosphère du Soleil, la couronne, a fait éruption dans l’espace à 16 h 36 HAE. La CME s’est déplacée à plus de 900 miles par seconde. Elle ne s’est pas dirigée directement vers la Terre, mais a touché l’environnement magnétique de la Terre, ou magnétosphère, d’un coup sec, provoquant l’apparition d’aurores dans la nuit du 3 septembre. Crédit image : Centre de vol spatial Goddard de la NASA.
“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”, a déclaré le professeur Andrea Pocar, physicien des particules à l’Université du Massachusetts Amherst.
“Jusqu’à 420 milliards d’entre eux frappent chaque pouce carré de la surface de la Terre par seconde, et pourtant, pratiquement tous passent à travers sans interagir.”
“Nous ne pouvons les détecter qu’en utilisant de très grands détecteurs avec des niveaux de rayonnement de fond exceptionnellement bas.”
Le détecteur Borexino se trouve profondément sous les Apennins, dans le centre de l’Italie, aux Laboratori Nazionali del Gran Sasso de l’INFN.
Il détecte les neutrinos sous forme de flashs lumineux 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, le seul de sa catégorie pour le rayonnement de fond faible.
Jusqu’à ses dernières détections, la collaboration Borexino a réussi à mesurer les composantes des flux de neutrinos solaires “proton-proton”, a contribué à affiner les paramètres d’oscillation de la saveur des neutrinos et, plus impressionnant encore, a même mesuré la première étape du cycle : les neutrinos p-p de très basse énergie.
Les chercheurs de Borexino rêvaient d’étendre le champ scientifique pour rechercher également les neutrinos CNO – dans une région spectrale étroite avec un bruit de fond particulièrement faible – mais ce prix semblait hors de portée.
Cependant, ils pensaient que les neutrinos CNO pouvaient encore être révélés en utilisant les étapes de purification supplémentaires et les méthodes qu’ils avaient développées pour réaliser la stabilité exquise du détecteur requise.
Le détecteur Borexino après la stabilisation thermique. Image credit : Borexino Collaboration.
“La confirmation de la combustion du CNO dans notre Soleil, où il ne fonctionne qu’à 1%, renforce notre confiance dans notre compréhension du fonctionnement des étoiles”, a déclaré le professeur Pocar.
“Au-delà, les neutrinos de CNO peuvent aider à résoudre une importante question ouverte en physique stellaire”.
“C’est-à-dire, comment la métallicité centrale du Soleil, qui ne peut être déterminée que par le taux de neutrinos CNO du noyau, est liée à la métallicité ailleurs dans une étoile.”
“Les modèles traditionnels se sont heurtés à une difficulté – les mesures de la métallicité de surface par spectroscopie ne concordent pas avec les mesures de la métallicité de sub-surface déduites d’une méthode différente, les observations d’héliosismologie.”
“Nous avons pu détecter les neutrinos CNO en utilisant l’énorme détecteur de l’expérience Borexino situé à 1 400 m sous terre”, a déclaré le professeur Michael Wurm, physicien spécialiste des neutrinos au pôle d’excellence PRISMA+ de l’université Johannes Gutenberg de Mayence.
“Ils nous donnent un aperçu clair des processus qui se déroulent au cœur du Soleil”.
“Ces résultats sont cohérents avec les attentes théoriques selon lesquelles le cycle CNO dans le Soleil est responsable d’environ 1 % des émissions de gaz à effet de serre.l’énergie qu’il produit”, a déclaré le Dr Daniele Guffanti, chercheur postdoctoral au pôle d’excellence PRISMA+ de l’université Johannes Gutenberg de Mayence.
L’article de l’équipe a été publié dans la revue Nature.
