Expérience Homestake

L'expérience Homestake fut la première tentative de détecter des neutrinos venus du Soleil. Raymond Davis l'a exploitée de 1968 à 1994 dans une mine d'or du Dakota du Sud. Elle a livré un résultat que personne n'a su expliquer pendant trente ans — et fut ainsi le début de l'une des recherches d'erreur les plus fécondes de l'histoire de la physique.

La tâche

Jusque dans les années 1960, la fusion nucléaire à l'intérieur du Soleil était une théorie bien fondée, mais personne ne l'avait jamais observée directement. La lumière qui nous parvient provient de la surface ; l'énergie a mis des dizaines de milliers d'années pour y arriver. Ce qui se passe en ce moment même dans le cœur, elle ne le révèle pas.

Les neutrinos, si. Ils quittent le cœur sans entrave et sont ici au bout d'un peu plus de huit minutes. Qui les compte regarde le Soleil brûler.

John Bahcall avait calculé combien devaient en arriver. La tâche de Davis était de les trouver.

Le dispositif

Le procédé repose sur une réaction nucléaire que Bruno Pontecorvo avait proposée : un neutrino électronique transforme un noyau de chlore 37 en un noyau d'argon 37 et un électron. Le seuil se situe à 814 kiloélectronvolts — assez haut pour que seuls soient saisis les rares neutrinos énergétiques issus de la désintégration du bore 8, soit moins d'un pour cent de tous les neutrinos solaires.

Comme source de chlore servait le perchloréthylène, liquide de nettoyage ordinaire. 615 tonnes de celui-ci se trouvaient dans une cuve d'acier, à 1 478 mètres sous terre, au niveau des 4850 pieds de la mine Homestake près de Lead, dans le Dakota du Sud. La roche au-dessus arrête les muons cosmiques, qui auraient sinon recouvert tout signal.

La véritable difficulté

Le calcul de Bahcall donnait qu'il se formerait dans cette cuve environ un atome d'argon tous les deux jours. Sur une campagne de mesure de deux mois s'accumulaient donc quelques dizaines d'atomes — dans 615 tonnes de liquide, soit parmi environ 10³⁰ autres atomes.

La plupart des spécialistes tenaient cela pour sans espoir. Davis était chimiste, pas physicien, et pour un chimiste ce n'était pas une tâche impossible, mais une tâche difficile.

Son procédé : toutes les quelques semaines, on faisait passer de l'hélium à travers la cuve. Le gaz noble emporte avec lui l'argon, lui aussi noble, tandis que le perchloréthylène reste en arrière. L'argon était congelé dans un piège froid, transféré dans un minuscule compteur et détecté là atome par atome via sa désintégration radioactive. L'argon 37 a une demi-vie de 35 jours — assez courte pour tout compter, ou presque, en quelques mois, assez longue pour survivre à l'extraction.

Ce n'est pas tout : Davis a démontré que son procédé trouve réellement chaque atome. Il a introduit dans la cuve une quantité connue et minuscule d'argon, puis l'a ressortie. Le rendement dépassait 90 pour cent — un contrôle positif d'une rigueur difficilement dépassable.

Le résultat dont personne ne voulait

À partir de 1968, les chiffres étaient là. Davis trouvait environ un tiers de ce que Bahcall avait calculé.

Ce n'était pas un résultat serré, mais un écart béant. Et les explications immédiates s'imposaient d'elles-mêmes : soit Bahcall calculait mal, soit Davis mesurait mal.

Tous deux ont vérifié pendant des décennies. Bahcall a affiné toujours davantage son modèle solaire et l'a fait confirmer indépendamment par l'héliosismologie — des oscillations de la surface du Soleil, on peut déduire la structure interne, sans aucun neutrino. Davis a répété ses étalonnages et vérifié si sa cuve répondait peut-être à autre chose ; entre autres, il a placé une cuve auprès d'un réacteur nucléaire et n'y a, comme prévu, rien trouvé, parce que les réacteurs émettent des antineutrinos et non des neutrinos.

Ni l'un ni l'autre n'a trouvé d'erreur. Car il n'y en avait pas.

La résolution

Le problème des neutrinos solaires est resté ouvert jusqu'en 2002. Le Sudbury Neutrino Observatory a alors montré que les neutrinos manquants n'avaient pas disparu, mais s'étaient seulement transformés — en types auxquels la cuve de chlore de Davis ne pouvait par principe pas répondre.

Si l'on additionne les trois types, le chiffre de Bahcall est juste.

La mesure de Davis avait donc été correcte depuis le début. Elle avait seulement mesuré autre chose que ce que tous supposaient — et c'est précisément en cela que résidait la découverte.

Postérité

Davis a reçu le prix Nobel en 2002, conjointement avec Masatoshi Koshiba. Il avait alors 87 ans.

Le lieu lui-même a connu une suite remarquable. Dans les mêmes galeries naît aujourd'hui le détecteur lointain de DUNE — quatre modules totalisant 68 000 tonnes d'argon liquide. Là où se dressait autrefois une seule cuve de liquide de nettoyage se décidera à l'avenir la question de la violation CP.

Notions liées

• Raymond Davis — l'exploitant
• John Bahcall — la prédiction
• Problème des neutrinos solaires — le constat
• GALLEX et SAGE — les successeurs à seuil plus bas
• DUNE — la même montagne aujourd'hui

Sources

• R. Davis Jr., D. S. Harmer, K. C. Hoffman : Search for Neutrinos from the Sun, Physical Review Letters 20, 1205 (1968).
• B. T. Cleveland et al. : Measurement of the Solar Electron Neutrino Flux with the Homestake Chlorine Detector, The Astrophysical Journal 496, 505 (1998).