GALLEX

GALLEX — l'expérience au gallium — était un détecteur radiochimique de neutrinos solaires au laboratoire souterrain du Gran Sasso. Il a fonctionné de 1991 à 1997 et a ensuite été poursuivi sous le nom de GNO jusqu'en 2003.

Son importance tient à un chiffre : 233 kiloélectronvolts.

Pourquoi le gallium

L'expérience Homestake travaillait avec du chlore et ne pouvait de ce fait détecter que les neutrinos au-dessus de 814 keV. Elle ne saisissait ainsi que les rares neutrinos énergétiques issus de la désintégration du bore 8 — moins d'un centième de pour mille de tous les neutrinos solaires.

La réaction principale du Soleil, la chaîne pp, fournit des neutrinos de 420 keV au plus. Ils restaient invisibles pour le chlore.

Le gallium change cela. La transition du gallium 71 au germanium 71 a un seuil de 233 keV seulement. Pour la première fois était ainsi accessible la part qui provient de la réaction fondamentale.

Et c'est plus qu'une amélioration technique. Le taux des neutrinos pp se laisse prédire presque sans hypothèses de modèle : il découle directement de la luminosité du Soleil, car chaque unité d'énergie produite s'accompagne d'un nombre déterminé de neutrinos. Qui mesure ce taux ne vérifie pas un modèle solaire, mais un bilan quasi contraignant.

Le dispositif

GALLEX utilisait environ 30 tonnes de gallium, dissous sous forme de chlorure de gallium dans de l'acide chlorhydrique — au total quelque cent tonnes de solution dans une cuve sous 1 400 mètres de roche.

Toutes les trois à quatre semaines, le germanium formé était rincé hors de la cuve. Il s'agissait de quelques dizaines d'atomes dans cent tonnes de solution.

Le procédé : un courant gazeux entraîne le tétrachlorure de germanium volatil, on le concentre en plusieurs étapes, on le transforme en germane et on le remplit dans de minuscules compteurs. Il s'y désintègre pendant des mois, et chaque désintégration est enregistrée individuellement.

La demi-vie du germanium 71 est de 11,4 jours — assez courte pour tout compter, ou presque, en quelques mois, assez longue pour survivre à l'extraction.

L'étalonnage avec un Soleil artificiel

Une objection s'imposait : d'où sait-on que la chimie trouve réellement chaque atome et que les compteurs fonctionnent correctement ?

GALLEX y a répondu de la manière la plus convaincante qui fût possible. La collaboration a fait fabriquer une source de neutrinos artificielle à base de chrome 51 — du chrome irradié spécialement dans un réacteur, dont l'activité était connue précisément. Cette source a été descendue dans la cuve, et l'on a vérifié si le taux mesuré correspondait à l'intensité connue de la source.

Deux étalonnages de ce type ont été réalisés, en 1994 et 1995. Le procédé fonctionnait — un contrôle positif comme il est rarement possible d'en faire aussi directement en physique.

Le résultat

GALLEX a trouvé environ 60 pour cent du taux attendu. Le problème des neutrinos solaires existait donc aussi aux basses énergies, mais nettement moins marqué que chez Homestake, où un tiers seulement arrivait.

Ce motif était la véritable trouvaille. Une erreur dans le modèle solaire n'aurait guère pu agir de cette façon en fonction de l'énergie. Une transformation en chemin, en revanche, si — et précisément comme le prédit l'effet MSW.

Avec SAGE, GALLEX a ainsi fourni un argument fort, des années avant que SNO ne tranche l'affaire.

L'anomalie

Lors des mesures d'étalonnage, quelque chose d'inattendu est apparu : le taux mesuré se situait légèrement en dessous de celui calculé à partir de l'intensité de la source. SAGE a trouvé la même chose.

Cette anomalie du gallium n'est toujours pas élucidée. Elle est discutée comme indice possible de neutrinos stériles — ou comme signe que la transition nucléaire sous-jacente est moins bien connue qu'on ne le supposait.

Notions liées

• SAGE — l'expérience parallèle au gallium
• Problème des neutrinos solaires
• Expérience Homestake — le précurseur au chlore
• Effet MSW — l'explication

Sources

• Collaboration GALLEX : Solar neutrinos observed by GALLEX at Gran Sasso, Physics Letters B 285, 376 (1992).
• Collaboration GALLEX : First results from the ⁵¹Cr neutrino source experiment with the GALLEX detector, Physics Letters B 342, 440 (1995).