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Borexino - Présentation

Communiqué de presse (20 août 2007)

Premier résultat de Borexino : première détection directe des neutrinos solaires de basse énergie

 

http://www.apc.univ-paris7.fr/APC_CS/communique_Borexino.pdf

 

Borexino

L’expérience Borexino a pour but principal la détection des neutrinos solaires de moyenne énergie (autour du MeV), et en particulier les neutrinos dits du « béryllium ». Elle est également sensible à d’autres sources de neutrinos solaires, aux neutrinos de supernovas, aux neutrinos des réacteurs nucléaires et aux géoneutrinos. La détection des neutrinos solaires est une source précieuse d’information à la fois sur le Soleil et sur les neutrinos.

 

Le soleil et les neutrinos solaires

Le Soleil est une gigantesque boule de gaz, composée essentiellement d’hydrogène et d’hélium. Au centre, la température est suffisamment élevée (15 millions de degrés) pour initier des réactions nucléaires de fusion entre deux protons. Cette fusion produit un noyau de deutérium, un positron et un neutrino électronique νe. Il s’ensuit un cycle compliqué de réactions nucléaires où l’hydrogène va se transformer en hélium en libérant une minuscule quantité d’énergie (10-12W), certaines de ces réactions produisant également des neutrinos.

Les astrophysiciens ont construit des modèles du Soleil et prédisent le flux attendu de neutrinos solaires. Le spectre en énergie correspondant s’étend de 0 à 14 MeV. Ce cycle de réactions produit 98% de l’énergie du Soleil. Les 2% restants sont produits par le cycle appelé CNO, qui contribue majoritairement dans les étoiles plus massives que le Soleil. Les neutrinos produits sont les témoins privilégiés de ce qui se passe au cœur du Soleil.

 

Depuis les années 60, plusieurs détecteurs se sont attachés à mesurer le flux de neutrinos solaires, avec des sensibilités différentes aux différentes réactions nucléaires. Jusqu’au début des années 2000, les observations étaient toujours inférieures aux prédictions des modèles, ce que l’on a appelé l’énigme des neutrinos solaires. En 2001-2002, l’expérience SNO a montré qu’elle observait bien autant de neutrinos que prévu, mais qu’une partie des neutrinos νe produits dans le Soleil s’était transformée en νμ ou ντ, grâce au mécanisme dit d’oscillation des neutrinos.
SNO, qui a démontré que les neutrinos solaires oscillent entre leur point de départ dans le Soleil, et leur détection sur Terre n’a étudié que la partie à haute énergie de ces neutrinos (entre 5 et 15 MeV) qui représente moins de 1/10000 du flux total de neutrinos émis par le Soleil. L’étude de l’ensemble du spectre solaire est susceptible d’apporter des informations supplémentaires à la fois sur les paramètres de l’oscillation et sur la physique du Soleil.
En se focalisant sur la mesure des neutrinos dits du béryllium d’énergie fixe de 862 keV, tout en étant sensible à ceux d’autres réactions, l’expérience Borexino contribue de manière inportante à cette recherche.
 

L'expérience Borexino

L’expérience Borexino a été construite au Laboratoire National du Gran Sasso (LNGS). et. Elle est mise en œuvre par une collaboration composée principalement de laboratoires italiens, allemands et américains (Gênes, Milan, Gran Sasso, Ferrare, Heidelberg, Munich, Princeton, Virginia Tech, M.I.T., Dubna, Moscou, Cracovie, APC Paris). Le laboratoire y contribue depuis 2000.
Le détecteur gigogne comprend à l’extérieur un réservoir d’eau où 200 photomultiplicateurs enregistrent les signaux induits par le passage des muons cosmiques et jouent le rôle de veto aux signaux parasites. On trouve ensuite une sphère d’acier tapissée de 2 200 photomultiplicateurs disposés sur sa surface interne. Elle est remplie de pseudocumène (un hydrocarbure proche du benzène), rendu non scintillant. Au centre, un voile de nylon transparent abrite la cible proprement dite, 300 tonnes de scintillateur liquide (pseudocumène) à très basse radioactivité.

 

A la suite d’un rejet accidentel de 50 litres de pseudocumène durant l’été 2002, l’expérience a été arrêtée pour des raisons juridiques liées à la sécurité du Laboratoire du Gran Sasso. Elle a redémarré courant 2004, par la mise en place des voiles internes en nylon définissant l'un le volume cible, et l'autre servant de barrière pour le radon. Ces deux sphères sont bien visibles sur la photo prise lors du remplissage. Le détecteur a été rempli entre l’été 2006 et le printemps 2007 et la prise de données a démarré en mai 2007.

Une quarantaine d’interactions de neutrinos solaires du « béryllium » sont observées par jour, confirmant les prédictions des modèles solaires (en tenant compte de la réduction due à l’oscillation). Borexino est également sensible aux neutrinos de réacteurs nucléaires (une cinquantaine par an), aux neutrinos de supernovae (une centaine en cas d’explosion au centre de la Galaxie) et aux géoneutrinos liés à la radioactivité de la croûte terrestre.
Au Laboratoire le groupe a la responsabilité de l’une des deux électroniques de l’expérience : le système d’échantillonnage ultrarapide des impulsions de photomultiplicateurs (flash-ADC à 400 MHz). Ce système complète à plus haute énergie (à partir de 1 MeV environ) l’électronique réalisée par les Italiens.
 

➢ Site web officiel de la collaboration : http://borex.lngs.infn.it/