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Nouvelles scientifiques

 

Paris, le 2 novembre 2011

 

Borexino sonde le moteur des étoiles

 

Installée dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso en Italie et dédiée à l’étude des neutrinos venant du coeur du Soleil ou émis par la Terre, l’expérience Borexino, à laquelle participent des physiciens de l’IN2P3/CNRS(1), a permis de franchir une nouvelle étape dans la compréhension des réactions nucléaires qui ont lieu au sein du Soleil et des autres étoiles : les chercheurs ont apporté une preuve expérimentale directe de l’existence des réactions de fusion primordiale entre deux protons et ont confirmé que le cycle dit "CNO", le moteur des étoiles plus massives que le Soleil, ne peut contribuer à plus de 2% de l’énergie du Soleil.

 

L’étude des neutrinos produits dans les réactions nucléaires au coeur du Soleil apporte des informations de plus en plus précises sur le fonctionnement du "moteur" des étoiles : pour preuve, les remarquables tout derniers résultats de l’expérience Borexino, au laboratoire souterrain du Gran Sasso.

Selon les modèles construits par les astrophysiciens pour le Soleil ou les étoiles de dimension semblable, la réaction dominante et primordiale au coeur de l’étoile (où la température atteint 15 millions de degrés) est la fusion de deux noyaux d’hydrogène, autrement dit deux protons, pour former un noyau de deutérium en émettant un neutrino. Il s’ensuit une série de réactions nucléaires secondaires, qui sont également sources de neutrinos d’énergie un peu plus élevée. L’ensemble se nomme "cycle pp".

Dans les étoiles plus grosses que le Soleil (au moins une fois et demi sa masse), la température centrale est encore plus élevée et c’est un autre cycle de réactions de fusion qui domine, un cycle qui met en jeu les noyaux de carbone, d’azote et d’oxygène. Ce cycle, appelé CNO, est le moteur des étoiles massives sans lequel l’Univers ne serait pas ce qu’il est. Selon les modèles solaires, le cycle CNO est supposé contribuer à environ 2% de l’énergie du Soleil (les 98% restants proviennent du cycle pp).

Jusqu’à présent, la réaction primordiale pp avait été mesurée de manière indirecte dans les expériences radiochimiques au gallium dans les années 1990, ou via les sources secondaires, et les chercheurs n’avaient pas de résultats tangibles sur le cycle CNO. Grâce à des mesures précises et en temps réel des flux de neutrinos de basse énergie, la collaboration Borexino a identifié une réaction(2) directement liée à la réaction de fusion primordiale "pp" et a montré que la contribution du cycle CNO à l'énergie du Soleil ne pouvait pas dépasser 2% : des mesures en parfait accord avec les prédictions des modèles solaires.

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. En France, les chercheurs du laboratoire Astroparticule et cosmologie (APC) ont rejoint la collaboration en 2000.

 

Une détection en temps réel des neutrinos de basse énergie
La fusion nucléaire au coeur des étoiles produit une grande quantité de neutrinos de très basse énergie, qui se propagent jusqu’à la Terre. L’expérience Borexino, installée dans une des cavernes souterraines du laboratoire du Gran Sasso, est aujourd’hui la seule au monde à mesurer en temps réel les flux de neutrinos de plus basse énergie, les plus nombreux, mais les plus difficiles à détecter. Les neutrinos interagissent très faiblement et les signaux laissés par leurs interactions sont particulièrement rares. C’est pourquoi le détecteur est abrité sous 1400 m de roche qui absorbent les rayons cosmiques dont les traces pourraient simuler les signaux recherchés ; en outre, la haute technologie développée par l’expérience permet de supprimer les traces de radioactivité à un niveau encore jamais atteint. Grâce à ces caractéristiques uniques, la collaboration Borexino a pu mesurer l’intensité de plusieurs réactions secondaires au coeur du Soleil, et, en 2010, a mis en évidence pour la première fois les neutrinos provenant de la radioactivité à l’intérieur de la Terre.

 

Borexino : vue interne.
Crédit : Collaboration Borexino

 

(1) Laboratoire Astroparticule et cosmologie – APC (CNRS/CEA/Université Paris Diderot/Observatoire de Paris)
(2) Appelée "pep", cette réaction met en jeu un électron.

 

Contact chercheur

  • Daniel Vignaud, Tél : 01 57 27 61 69
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