Borexino

Borexino était un détecteur de neutrinos solaires au laboratoire souterrain du Gran Sasso, en Italie. Il a fonctionné de 2007 à 2021 et a accompli quelque chose que personne n'avait pu faire auparavant : la mesure de neutrinos solaires individuels en temps réel et à basse énergie.

Ce qui manquait auparavant

Les expériences radiochimiques comme Homestake ou GALLEX comptent des atomes. Elles livrent une somme sur des semaines et ne disent rien sur le moment où un neutrino est arrivé, l'énergie qu'il avait ou la direction d'où il venait.

Super-Kamiokande voit la direction et le temps, mais ne descend pas, en raison du faible rendement lumineux du rayonnement Tcherenkov, en dessous d'environ cinq mégaélectronvolts.

Entre les deux s'ouvrait une lacune — et dans cette lacune se trouvent plus de 99 pour cent de tous les neutrinos solaires.

La voie du scintillateur

Borexino utilisait un scintillateur qui fournit par mégaélectronvolt environ dix mille photons au lieu de quelques centaines. Le seuil de détection descend ainsi à quelques centaines de kiloélectronvolts.

Le prix : l'information de direction est perdue, et le bruit de fond devient le problème dominant. À des énergies aussi basses, le signal se noie dans la radioactivité naturelle du détecteur lui-même. Chaque gramme de matériau contient des traces d'uranium, de thorium et de potassium — sans danger dans la vie courante, dévastatrices ici.

L'endroit le plus propre du monde

Borexino devait pour cette raison atteindre une pureté qui n'existait pas auparavant. Le montage était en pelure d'oignon : 278 tonnes de scintillateur dans une enveloppe de nylon extrêmement fine, entourée d'un liquide tampon, d'une sphère d'acier portant plus de 2 000 photomultiplicateurs et enfin d'une cuve d'eau. Au-dessus, 1 400 mètres de roche.

Seule la région la plus intérieure, d'environ cent tonnes, était exploitée — les couches extérieures ne servaient qu'à la protéger.

Une pureté d'environ un atome d'uranium pour 10¹⁸ atomes du scintillateur a été atteinte. La mise au point des procédés de purification a duré plus longtemps que la construction de l'installation.

Les résultats

L'effort a payé. Borexino a mesuré l'une après l'autre presque toutes les sources de neutrinos du Soleil :

La détection des neutrinos pp en 2014 est la plus belle : elle montre directement la réaction dont le Soleil tire de loin la plus grande part de son énergie. On regardait le Soleil brûler — et précisément le processus de maintenant, non la lumière qui met des dizaines de milliers d'années à atteindre la surface.

La détection du CNO en 2020 a comblé une lacune que Hans Bethe avait ouverte en 1939. Il avait décrit deux voies de la fusion nucléaire dans les étoiles ; la seconde n'avait, pendant huit décennies, été que calculée, jamais vue. Dans le Soleil, elle ne contribue qu'à environ un pour cent — dans les étoiles plus lourdes, elle prédomine.

Au passage, Borexino a mesuré la zone de transition dans laquelle l'effet MSW bascule du comportement dans le vide à celui dans la matière, et a confirmé la courbe prédite.

Géoneutrinos

Avec la même installation, Borexino a détecté des géoneutrinos — des antineutrinos issus de la désintégration radioactive à l'intérieur de la Terre. Le site italien y est plus favorable que le site japonais de KamLAND, parce que moins de centrales nucléaires se trouvent à proximité.

La mesure de 2020 est à ce jour la plus précise de son genre.

Postérité

Borexino a été arrêté en 2021. Ce qui reste, c'est la technique : les procédés de purification mis au point sont aujourd'hui derrière JUNO, qui avec 20 000 tonnes de scintillateur doit atteindre la même pureté dans un volume soixante-dix fois plus grand.

Notions liées

• Neutrinos solaires — ce qui a été mesuré
• Scintillateur — la technique de détection
• Géoneutrinos — le regard vers l'intérieur de la Terre
• JUNO — le successeur à l'échelle

Sources

• Collaboration Borexino : Neutrinos from the primary proton–proton fusion process in the Sun, Nature 512, 383 (2014).
• Collaboration Borexino : Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun, Nature 587, 577 (2020).