Sudbury Neutrino Observatory
Le Sudbury Neutrino Observatory (SNO) était un détecteur de neutrinos installé à deux kilomètres de profondeur dans une mine de nickel près de Sudbury, en Ontario. Il a mis fin en 2002 à un débat mené depuis 1968 et a valu à Arthur B. McDonald le prix Nobel 2015.
La question
Depuis l'expérience Homestake, il était établi qu'un tiers environ seulement des neutrinos solaires attendus arrive. Ce à quoi cela tenait restait obscur.
Deux explications étaient en présence. Ou bien le modèle solaire était faux — et l'astrophysique avait alors un problème. Ou bien les neutrinos se transformaient en chemin — et c'était la physique des particules qui en avait un.
Aucun détecteur ne pouvait faire la distinction entre les deux, car tous ne réagissaient qu'aux neutrinos électroniques. Un Soleil plus faible et des neutrinos transformés donnent dans un tel appareil la même image : trop peu d'événements.
La solution : l'eau lourde
SNO a contourné cela par un tour de main. Le détecteur contenait 1 000 tonnes d'eau lourde dans une cuve transparente en acrylique de douze mètres de diamètre, entourée de 9 600 photomultiplicateurs et d'une enveloppe d'eau ordinaire.
L'eau lourde contient du deutérium, et le deutérium peut réagir de trois manières avec les neutrinos :
Courant chargé. Seul un neutrino électronique peut scinder le deutéron en deux protons et un électron. Cette réaction ne compte donc que les neutrinos qui ont conservé leur nature d'origine.
Courant neutre. Toute espèce de neutrino peut décomposer le deutéron en un proton et un neutron. Cette réaction compte tous les neutrinos, quelle que soit leur espèce.
Diffusion élastique sur les électrons. Toutes les espèces y contribuent, mais les neutrinos électroniques nettement plus fortement. Cette réaction fournit en outre la direction.
La comparaison des deux premiers nombres répond immédiatement à la question — et cela sans même qu'il faille faire appel au modèle solaire. C'est là que réside l'élégance du dispositif : il mesure un rapport, et les rapports sont plus robustes que les valeurs absolues.
Que l'on ait pu se procurer 1 000 tonnes d'eau lourde tient à une singularité canadienne. Les centrales nucléaires CANDU du pays en utilisent ; l'organisme public de l'énergie atomique a prêté la réserve. Sa valeur s'élevait à plusieurs centaines de millions de dollars.
Les trois phases de mesure
Le courant neutre produit un neutron libre — et les neutrons sont difficiles à voir. SNO a abordé le problème trois fois par des moyens différents, ce qui a rendu la détection indépendante d'un procédé unique :
| Phase | Période | Détection des neutrons |
|---|---|---|
| eau lourde pure | 1999–2001 | capture sur le deutérium |
| phase saline | 2001–2003 | deux tonnes de sel de cuisine ajoutées, capture sur le chlore |
| phase à compteurs | 2004–2006 | compteurs proportionnels à hélium-3 |
Les trois phases ont abouti au même résultat. C'est une forme de contrôle qu'une expérience ne peut que rarement s'offrir.
Le résultat
Par le courant chargé arrivait un tiers environ du taux attendu — exactement le déficit que Davis avait trouvé trente ans plus tôt. Par le courant neutre arrivait le taux complet.
Les deux choses étaient ainsi prouvées à la fois : le Soleil émet exactement autant de neutrinos que John Bahcall l'avait calculé. Et les deux tiers d'entre eux se transforment en chemin en d'autres espèces.
La publication décisive est parue en juin 2002. Bahcall, qui s'était tenu à son calcul pendant trois décennies, a plus tard comparé ce sentiment au fait d'avoir soutenu pendant trente ans la sphéricité de la Terre — et que quelqu'un revienne alors d'un tour du monde à la voile.
Pourquoi il fallait être si profond
La mine Creighton offre 2 092 mètres de roche au-dessus du détecteur, ce qui correspond à quelque 6 000 mètres d'eau. Ce n'est qu'ainsi que le bruit de fond dû aux muons cosmiques pouvait être ramené à quelques événements par jour.
S'y ajoutait une exigence de pureté qui confinait à l'obsession : chaque gramme de poussière dans la cuve en acrylique aurait produit des neutrons par sa radioactivité naturelle et faussé de la sorte le signal du courant neutre. La cuve a été assemblée sous terre en conditions de salle blanche.
Postérité
SNO a été arrêté en 2006. L'installation est devenue SNOLAB, l'un des laboratoires souterrains les plus profonds du monde. C'est là que fonctionne aujourd'hui SNO+, qui recherche la double désintégration bêta sans neutrinos, à côté de plusieurs expériences sur la matière noire.
Notions liées
- Arthur B. McDonald — le directeur
- Problème des neutrinos solaires — la question résolue
- Expérience Homestake — le constat de départ
- Effet MSW — l'explication de la transformation
Sources
- Collaboration SNO (Q. R. Ahmad et al.) : Direct Evidence for Neutrino Flavor Transformation from Neutral-Current Interactions in the Sudbury Neutrino Observatory, Physical Review Letters 89, 011301 (2002).
- Collaboration SNO : Combined Analysis of all Three Phases of Solar Neutrino Data from the Sudbury Neutrino Observatory, Physical Review C 88, 025501 (2013).