Problème des neutrinos solaires
Pendant trente-trois ans, un nombre ne concorda pas. Les détecteurs ne mesuraient qu'environ un tiers des neutrinos qui devaient venir du Soleil — et personne ne pouvait dire si les modèles solaires étaient faux, les mesures, ou tout autre chose.
La résolution de 2001 fut plus belle que chacune des réponses attendues.
Le constat de 1968
Raymond Davis construisit dans la mine d'or de Homestake, dans le Dakota du Sud, une cuve contenant 615 tonnes de perchloréthylène — un liquide de nettoyage ordinaire. Si un neutrino électronique frappe un noyau de chlore, il en résulte un noyau d'argon.
Davis rinçait toutes les quelques semaines les atomes d'argon formés et les comptait. C'étaient littéralement des atomes isolés dans une cuve de 380 mètres cubes — l'une des mesures les plus sensibles jamais entreprises.
La prédiction venait de John Bahcall, qui avait calculé l'intérieur du Soleil. Davis en mesurait obstinément environ un tiers.
Les trois suspects
Pendant trois décennies, trois explications furent en présence :
| Soupçon | Ce qu'il aurait signifié |
|---|---|
| Les modèles solaires sont faux | Le calcul de Bahcall est inexact — le cœur est plus froid qu'on ne le pensait |
| La mesure est fausse | Le procédé de Davis perd de l'argon ou compte de travers |
| Les neutrinos se modifient | il leur arrive quelque chose en chemin |
Les deux premières étaient les plus immédiates et furent examinées avec le soin correspondant. Bahcall affina son modèle pendant des décennies ; la prédiction demeura. Davis améliora sa méthode ; le déficit demeura.
Le troisième soupçon était le plus inconfortable, car il exigeait une physique au-delà du modèle standard.
La confirmation par d'autres procédés
Dans les années 1990, GALLEX au Gran Sasso et SAGE dans le Caucase mesurèrent avec du gallium au lieu du chlore — sensibles aussi aux neutrinos de basse énergie issus de la réaction proton-proton, qui constituent la part du lion. Eux aussi en trouvèrent trop peu.
Super-Kamiokande mesura à partir de 1996 avec de l'eau et une technique tout à fait différente. De nouveau la même chose.
La deuxième explication était dès lors écartée : quatre expériences avec quatre procédés ne pouvaient pas toutes commettre la même erreur.
La résolution de 2001
Le Sudbury Neutrino Observatory fut le premier à pouvoir mesurer les deux à la fois — les neutrinos électroniques seuls et la somme des trois sortes.
Le résultat : les neutrinos électroniques manquaient. Le nombre total était exact.
L'affaire était ainsi tranchée. Le modèle solaire de Bahcall avait été juste depuis le début. La mesure de Davis avait été juste depuis le début. Ce qui manquait, c'était un morceau de physique : l'oscillation des neutrinos.
L'hommage tardif
Raymond Davis reçut en 2002 le prix Nobel de physique, à l'âge de 88 ans — trente-quatre ans après sa première mesure. John Bahcall, dont le calcul avait été juste depuis le début, ne fut pas distingué ; il mourut en 2005.
Ce que ce cas enseigne
Pendant trois décennies, il sembla qu'il y eût une erreur quelque part. À la fin, il n'y en avait nulle part — c'était une loi de la nature qui manquait. De tels cas sont rares, et c'est pourquoi le problème des neutrinos solaires reste aujourd'hui encore une leçon sur le moment où il faut croire une mesure inconfortable.
Termes associés
- Sudbury Neutrino Observatory — la résolution
- Super-Kamiokande — la confirmation indépendante
- Oscillation des neutrinos — la réponse
- Neutrino — la particule
- Chronologie de la physique des neutrinos — de 1968 à 2001
Sources
- R. Davis, D. S. Harmer, K. C. Hoffman : Search for neutrinos from the Sun. Physical Review Letters 20, 1205 (1968).
- J. N. Bahcall : Solar Neutrinos. Physical Review Letters 12, 300 (1964).
- Q. R. Ahmad et al. (SNO) : Physical Review Letters 89, 011301 (2002).
- Nobel Prize Outreach : The Nobel Prize in Physics 2002, nobelprize.org.