SAGE
SAGE — la Soviet-American Gallium Experiment — est un détecteur de neutrinos solaires à l'observatoire de neutrinos de Baksan, dans le Caucase russe. Il a commencé à fonctionner en 1990 et compte ainsi parmi les expériences les plus durables de la physique des neutrinos.
Une expérience née de deux mondes
Le nom raconte un morceau d'histoire contemporaine. SAGE est né à la fin de la guerre froide comme une collaboration entre instituts soviétiques et américains — à une époque où de tels projets étaient politiquement tout sauf évidents.
La collaboration a survécu à la dislocation de l'Union soviétique et poursuit son travail aujourd'hui encore, désormais sous le nom de Russian-American Gallium Experiment.
Le détecteur se trouve dans une galerie sous le mont Andyrtchi, avec quelque 2 000 mètres de roche au-dessus de lui.
Le dispositif
SAGE emploie, contrairement à GALLEX, du gallium métallique — environ 50 tonnes, maintenues à quelque 30 degrés Celsius. Le gallium fond à 29,8 degrés et est donc liquide à la température de service, mais non dissous.
Le processus de détection est le même : un neutrino transforme un noyau de gallium 71 en germanium 71, seuil 233 kiloélectronvolts. SAGE saisit ainsi lui aussi les neutrinos de la chaîne pp, c'est-à-dire de la réaction principale du Soleil.
L'extraction à partir d'un métal liquide est chimiquement plus exigeante qu'à partir d'une solution de chlorure. On ajoute une solution aqueuse, on brasse vigoureusement les deux et on fait passer le germanium dans la phase aqueuse. Comme chez GALLEX, il s'agit de quelques dizaines d'atomes par période de mesure.
Pourquoi deux expériences étaient nécessaires
Que GALLEX et SAGE aient travaillé simultanément et avec un procédé chimique différent n'était pas un hasard, mais une intention.
Toutes deux reposent sur une chaîne délicate : un neutrino crée un atome, l'atome est extrait par voie chimique, sa désintégration est comptée. À chaque étape, quelque chose pourrait se perdre — et une perte aurait exactement l'air de neutrinos manquants.
Lorsque deux groupes, avec des techniques différentes, dans des pays différents, sous des montagnes différentes, mesurent le même déficit, le résultat n'est pas une erreur de laboratoire. Tous deux ont trouvé environ 60 pour cent du taux attendu.
Doublement étalonné
SAGE s'est également vérifié avec des sources artificielles — et cela avec deux sources différentes.
En 1995, une source de chrome 51 a été mise en œuvre, comme chez GALLEX. En 2004 a suivi une source à l'argon 37, qui fournit des neutrinos d'énergie un peu plus élevée. Le procédé était ainsi contrôlé en deux points indépendants.
L'anomalie du gallium
Lors de ces mesures d'étalonnage, quelque chose d'inattendu est apparu. Aussi bien chez SAGE que chez GALLEX, le taux mesuré se situait en dessous de celui calculé à partir de l'intensité de la source — d'environ 10 à 20 pour cent.
Le phénomène s'appelle anomalie du gallium. Une interprétation possible sont les neutrinos stériles : un quatrième type qui ne se couple pas à l'interaction faible et vers lequel une partie des neutrinos pourrait passer sur une courte distance.
L'expérience qui a pris la suite, BEST, également à Baksan, a examiné la question de manière ciblée à partir de 2019. Deux volumes de gallium emboîtés, de tailles différentes, ont été irradiés simultanément — en cas de transition sur une courte distance, tous deux auraient dû mesurer des quantités différentes. Le déficit s'est confirmé en 2022, une différence entre les volumes ne s'est pas manifestée de façon univoque.
Que se cache derrière cela une physique nouvelle ou une incertitude sous-estimée dans la transition nucléaire reste ouvert à ce jour.
Mise en perspective
SAGE montre deux choses. Premièrement, combien la répétition indépendante est précieuse — les deux expériences au gallium ont fait passer le problème des neutrinos solaires du rang de curiosité à celui de constat solide.
Deuxièmement, qu'un étalonnage soigneux ne fait pas que sécuriser, mais peut lui-même conduire à de nouvelles questions. L'anomalie du gallium n'a pas été cherchée. Elle a été remarquée parce que quelqu'un a regardé de près.
Notions liées
- GALLEX — l'expérience parallèle
- Neutrinos stériles — une interprétation possible
- Problème des neutrinos solaires
- Neutrinos solaires
Sources
- Collaboration SAGE : Measurement of the solar neutrino capture rate with gallium metal, Physical Review C 80, 015807 (2009).
- Collaboration BEST : Results from the Baksan Experiment on Sterile Transitions, Physical Review Letters 128, 232501 (2022).