L'Alchimie des neutrinos les fantômes du Soleil transforment enfin des atomes
Des milliers de mètres sous terre, dans les profondeurs chthoniennes de la croûte terrestre, des scientifiques ont enfin surpris les neutrinos solaires en plein acte de transformation du carbone-13 en azote-13. C’est la première fois que cette réaction nucléaire rare médiée par les neutrinos est observée, révélant comment certaines des particules les plus insaisissables de l’Univers peuvent néanmoins remodeler la matière, dans l’obscurité souterraine, loin de la surface. « Cette découverte utilise l'abondance naturelle du carbone-13 présente dans le scintillateur liquide de l'expérience pour mesurer une interaction spécifique et rare », déclare la physicienne Christine Kraus de SNOLAB, l'observatoire de neutrinos au Canada où la détection a été réalisée. Les neutrinos sont parmi les particules les plus abondantes de l’Univers. Ils se forment dans des circonstances énergétiques, telles que les explosions de supernova et les réactions nucléaires qui se produisent au cœur des étoiles – ils sont donc pratiquement partout. Cependant, ils n'ont pas de charge électrique, leur masse est presque nulle, et ils interagissent peu avec les autres particules. Des centaines de milliards de neutrinos traversent votre corps en ce moment même, comme des fantômes. C’est la raison pour laquelle on les appelle affectueusement les particules fantômes. Mais de temps à autre, un neutrino percute une autre particule – une collision qui produit une lueur infinitésimale et une pluie d'autres particules. Cependant, elles sont difficiles à repérer en surface, où les rayons cosmiques et le rayonnement de fond masquent le signal. C’est pourquoi certains des meilleurs détecteurs de neutrinos se trouvent profondément sous la surface, où la croûte terrestre agit comme un bouclier radiatif. Là, d’immenses chambres sont tapissées de photodétecteurs et remplies d’un scintillateur liquide qui amplifie les minuscules signaux générés par les rares interactions de neutrinos, dans l’obscurité totale et silencieuse. Les neutrinos produits dans le cœur du Soleil traversent la Terre en continu. Leurs énergies se situent dans une plage bien connue qui les rend faciles à distinguer des neutrinos atmosphériques et astrophysiques, qui sont bien plus énergétiques et moins fréquents. À 2 kilomètres de profondeur du détecteur SNO+ de SNOLAB, presque tous les événements dans cette plage d'énergie proviennent du Soleil. Dirigée par le physicien Gulliver Milton de l’Université d’Oxford, l’équipe a examiné les données de SNO+ collectées entre le 4 mai 2022 et le 29 juin 2023, à la recherche d’un signal indiquant une interaction des neutrinos avec le carbone-13 dans le scintillateur.
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Au SNOLAB une interaction rare révèle la transformation carbone-13 en azote-13 par scintillateur liquide
Lorsqu’un neutrino électronique solaire frappe le noyau de carbone-13, la collision produit deux choses. La première est la production d’un électron, une particule à charge négative, au fur et à mesure que le noyau absorbe le neutrino. À l’intérieur du noyau du carbone se trouvent 13 particules : six protons à charge positive et sept neutrons neutres. L’interaction faible déclenchée par le neutrino transforme l’un de ces neutrons en proton, émettant un électron. Avec son nombre de protons augmenté de six à sept, l’atome n’est plus carbone mais azote-13, qui a sept protons et six neutrons. Environ dix minutes plus tard, le azote-13 résultant – un isotope radioactif instable de l’azote – se désintègre, émettant un anti‑électron, ou positron. Le résultat de l’interaction du départ à l’arrivée est un éclat distinctif en deux étapes connu sous le nom de coïncidence retardée. Essentiellement, les chercheurs peuvent observer un électron suivi par un positron dix minutes plus tard, comme signature d’une conversion du carbone-13 en azote-13 par un neutrino. À partir de 231 jours de données d’observation, les chercheurs ont identifié 60 événements candidats. En faisant passer leurs données d’événements candidats dans leur modèle statistique, ils ont estimé 5,6 transmutations carbone‑azote déclenchées par les neutrinos. C’est en fait assez proche des 4,7 événements qu’ils attendaient trouver. « Capturer cette interaction est une réalisation extraordinaire », déclare Milton. « Malgré la rareté de l’isotope du carbone, nous avons été en mesure d’observer son interaction avec les neutrinos, qui sont nés dans le noyau du Soleil et ont parcouru d’immenses distances pour atteindre notre détecteur. »
Le mécanisme et ses signatures une coïncidence retardée en deux étapes
Le résultat de l’interaction du départ à l’arrivée est un éclat distinctif en deux étapes connu sous le nom de coïncidence retardée. Essentiellement, les chercheurs peuvent observer un électron suivi par un positron dix minutes plus tard, comme signature d’une conversion du carbone-13 en azote-13 par un neutrino. À partir de 231 jours de données d’observation, les chercheurs ont identifié 60 événements candidats. En faisant passer leurs données d’événements candidats dans leur modèle statistique, ils ont estimé 5,6 transmutations carbone‑azote déclenchées par les neutrinos. C’est en fait assez proche des 4,7 événements qu’ils attendaient trouver. « Capturer cette interaction est une réalisation extraordinaire », déclare Milton. « Malgré la rareté de l’isotope du carbone, nous avons été en mesure d’observer son interaction avec les neutrinos, qui sont nés dans le noyau du Soleil et ont parcouru d’immenses distances pour atteindre notre détecteur. »
Impact scientifique et publication dans Physical Review Letters
Le résultat est excitant. Confirmer les prédictions théoriques est toujours gratifiant, car cela signifie que la science est sur la bonne voie. Cela donne aussi une nouvelle mesure de la probabilité de cette réaction spécifique entre neutrinos et carbone à faible énergie. Cela signifie qu’elle établit une nouvelle référence en physique nucléaire qui sera utile pour les futures études. Les recherches ont été publiées dans Physical Review Letters.
