Géoneutrinos
Les géoneutrinos sont des antineutrinos qui naissent à l'intérieur de la Terre. Ils proviennent de la désintégration radioactive de l'uranium, du thorium et du potassium dans la roche — et ils sont le seul chemin connu pour voir la planète, en quelque sorte, sous la peau.
La question à laquelle ils répondent
La Terre est chaude à l'intérieur. Environ 47 térawatts traversent en permanence la surface vers l'extérieur — plus du double de la consommation mondiale d'énergie de l'humanité.
Cette chaleur entraîne tout ce qui rend la planète géologiquement vivante : la tectonique des plaques, le volcanisme, la géodynamo qui engendre le champ magnétique et nous protège du vent solaire.
D'où vient-elle ? Deux sources sont concevables. Une part est de la chaleur résiduelle issue de la formation de la planète il y a quatre milliards et demi d'années. Une autre part provient de la désintégration radioactive à l'intérieur.
Comment les deux se répartissent est resté longtemps inconnu. Les forages n'atteignent que quelques kilomètres de profondeur — le trou le plus profond du monde arrive à douze. Les ondes sismiques trahissent la densité et l'état, mais pas la composition chimique.
Pourquoi les neutrinos livrent la réponse
Chaque désintégration d'uranium ou de thorium libère des antineutrinos, et ceux-ci quittent la Terre sans entrave. Leur nombre est directement une mesure de la quantité de ces éléments dans la planète — et donc de la part radiogénique de la chaleur terrestre.
Une restriction s'y attache : le procédé ne voit que l'uranium et le thorium. Le potassium 40 contribue certes notablement à la chaleur, mais ses antineutrinos se situent en dessous du seuil d'énergie de la désintégration bêta inverse, de 1,8 mégaélectronvolt, et restent donc invisibles. Sa contribution doit continuer d'être calculée.
La détection
Le procédé est le même que pour les neutrinos de réacteur : la désintégration bêta inverse dans un grand scintillateur, reconnue au double signal formé par l'annihilation du positron et la capture du neutron.
La difficulté tient au taux. Un détecteur de mille tonnes enregistre quelques dizaines de géoneutrinos par an. Un réacteur voisin en livre autant en un jour.
Deux choses comptent donc : des détecteurs très propres et un site aussi éloigné que possible des centrales nucléaires.
Les deux mesures
KamLAND au Japon signala en 2005 le premier indice. Le site est en soi défavorable, parce que le Japon exploite de nombreux réacteurs. Après leur arrêt temporaire à partir de 2011, les conditions de mesure s'améliorèrent considérablement, sans que ce fût voulu — un cas rare où une expérience a profité d'un événement extérieur à la science.
Borexino en Italie mesura avec moins de bruit de fond et livra en 2020 le résultat le plus précis à ce jour.
Ce qui en est ressorti
Les mesures montrent qu'environ la moitié du flux de chaleur de la Terre provient de la désintégration radioactive. L'autre moitié est de la chaleur résiduelle.
C'est là une affirmation solide sur la constitution d'une planète, obtenue à partir de particules qui la traversent de part en part. Elle aide à circonscrire les modèles de formation de la Terre — et à répondre à la question de savoir combien de temps la tectonique des plaques sera encore entraînée.
Ce qui reste ouvert
La répartition. Savoir si l'uranium et le thorium se trouvent principalement dans la croûte ou aussi plus profondément dans le manteau ne se lit pas dans le seul nombre total. Un détecteur capable de déterminer la direction résoudrait cela — mais la direction est justement ce qu'un scintillateur ne fournit pas.
La voie praticable passe par des mesures en plusieurs endroits très éloignés les uns des autres : un détecteur sur croûte continentale voit plus de géoneutrinos qu'un détecteur en plein océan, parce que la croûte continentale est plus riche en uranium et en thorium. De telles différences permettent de déduire la répartition.
JUNO établira ici de nouvelles références avec 20 000 tonnes de scintillateur.
Termes associés
- Antineutrino
- Borexino et KamLAND — les mesures
- Scintillateur — la technique
- Désintégration bêta — la source