Diffusion élastique cohérente neutrino-noyau (CEνNS)

La diffusion élastique cohérente neutrino-noyau — abrégée à l'international en CEνNS et prononcée « sevens » — est un processus dans lequel un neutrino est diffusé par un noyau atomique sans le briser ni être lui-même absorbé. Le noyau réagit ce faisant comme un tout : ce n'est pas un proton ou un neutron isolé qui est touché, c'est le noyau entier qui encaisse un petit recul.

C'est précisément ce transfert d'impulsion qui constitue le point d'accroche physique du neutrinovoltaïque.

Ce que signifie « cohérent »

Le mot est le cœur de l'affaire. Aux basses énergies, la longueur d'onde du neutrino incident est plus grande que le noyau atomique. Le neutrino ne « voit » alors plus les constituants séparément, mais le noyau comme une unité unique. Les contributions de tous les nucléons s'additionnent en phase — et comme les probabilités s'additionnent en mécanique quantique par l'intermédiaire des amplitudes, la section efficace croît approximativement comme le carré du nombre de neutrons.

C'est la raison pour laquelle ce processus possède, parmi tous les couplages de neutrinos aux basses énergies, de loin la plus grande section efficace.

Prédiction en 1974, mise en évidence en 2017

Daniel Z. Freedman a prédit le processus en 1974 dans Physical Review D. Il a signalé du même coup la difficulté qui allait retarder si longtemps sa mise en évidence : le recul que reçoit le noyau est extraordinairement faible. Un détecteur doit résoudre des énergies de l'ordre de quelques kiloélectronvolts — et travailler ce faisant pratiquement sans bruit de fond.

Il a fallu 43 ans. La collaboration COHERENT a mis en évidence CEνNS pour la première fois et a publié le résultat le 15 septembre 2017 dans Science. Les données clés de cette mise en évidence :

Les signatures caractéristiques en énergie et en temps que le modèle standard prédit pour ce processus ont été confirmées à cette occasion.

Pourquoi la mise en évidence a été si exigeante

Ces chiffres sont l'étalon auquel toute idée d'application doit se mesurer, et ils méritent d'être mis côte à côte.

CEνNS possède la plus grande section efficace de tous les couplages de neutrinos aux basses énergies. Et même cette plus grande de toutes les sections efficaces s'est dérobée à la détection pendant quatre décennies. Celle-ci n'a réussi qu'avec une source de neutrinos artificielle et extraordinairement intense — une source de neutrons par spallation, comme il n'en existe dans le monde que dans quelques grands centres de recherche — et un détecteur à faible bruit de fond construit spécialement à cette fin.

À l'inverse, il faut dire aussi : ce qui passait en 1974 pour pratiquement non mesurable est devenu aujourd'hui une routine. La collaboration COHERENT a entre-temps mesuré avec précision la section efficace sur CsI (Physical Review Letters 129, 081801, 2022) et mis le processus en évidence en 2025 sur du germanium également (Physical Review Letters 134, 231801). Le chemin de « prédit en théorie » à « mesuré à plusieurs reprises » a été parcouru entièrement.

Portée au-delà de la physique fondamentale

La publication de Science nomme elle-même un bénéfice annexe d'ordre pratique : comme la section efficace est si grande, CEνNS permet des détecteurs nettement plus petits que les autres méthodes de détection des neutrinos. Là où les détecteurs de neutrinos classiques ont besoin de cuves d'eau de dizaines de milliers de tonnes, 14,6 kilogrammes ont suffi ici.

Cette miniaturisation est la raison pour laquelle le processus retient l'attention en dehors de la seule recherche fondamentale — par exemple pour la surveillance des réacteurs nucléaires ou, comme le poursuit le Neutrino® Energy Group, comme point de départ pour la conversion d'énergie.

Termes apparentés

• Section efficace — la mesure de surface des interactions
• Neutrinovoltaïque — l'approche applicative
• L'équation maîtresse — CEνNS comme contribution à σ_eff

Sources

• D. Z. Freedman : Coherent effects of a weak neutral current. Physical Review D 9, 1389 (1974).
• D. Akimov et al. (collaboration COHERENT) : Observation of coherent elastic neutrino-nucleus scattering. Science 357, 1123–1126 (15 septembre 2017).
• Collaboration COHERENT : Measurement of the CEνNS Cross Section on CsI. Physical Review Letters 129, 081801 (2022).
• Collaboration COHERENT : Evidence of CEνNS with COHERENT's Germanium Array. Physical Review Letters 134, 231801 (2025).