L’Observatoire de neutrinos de Sudbury

L’histoire de l’Observatoire de neutrinos de Sudbury (Partie 1)

Pourquoi nous avons réalisé l’expérience? Télécharger PDF (2.4MB)

1) Capter des particules quasi insaisissables provenant du Soleil

Profondément enfoui dans une mine du nord de l’Ontario, cet observatoire sert à compter les neutrinos, ces très petites particules élémentaires émises en grande quantité par le Soleil. En ce moment même, des milliards d’entre elles traversent l’ongle de votre pouce! Minuscules et imperceptibles, ces neutrinos ont moins d’une chance sur un trillion d’être arrêtés par la masse entière de notre planète.

Cependant, à l’aide d’un « piège » à neutrinos contenant 1000 tonnes d’eau lourde, l’ONS réussit à détecter quelques neutrinos solaires par jour.

Fort réussie, cette expérience nous a permis de percer un mystère
vieux de plusieurs décennies touchant l’activité intérieure du Soleil.

ONS

Vue aérienne de la mine Creighton, de Inco. Les installations extérieures de l’Observatoire de neutrinos de Sudbury (ONS) se trouvent à proximité, mais le détecteur est situé à deux kilomètres sous terre.

ONS

Profile de la mine Creighton, de Inco, indiquant l'emplacement de l'ONS

Illustration : Garth Teitjen, ONS

Dessin du détecteur de l'ONS montrant le réservoir en acrylique, les structures de soutien et les installations

2) À quoi sert l’Observatoire de neutrinos de Sudbury ?

A) À l’étude des taches et des éruptions solaires ?

B) Au dénombrement des particules quasi insaisissables provenant des profondeurs du Soleil ?

C) À l’étude de la structure atomique des matières radioactives ?

Réponse :

B) Au dénombrement des particules quasi insaisissables provenant des profondeurs du Soleil.

3) Pourquoi nous avons réalisé l’expérience

L’histoire des neutrinos

En 1930, Wolfgang Pauli, cherchant à résoudre une énigme de physique concernant la disparition de l’énergie, a annoncé l’existence d’une particule invisible: le « neutrino ». Dès les années 1960, les physiciens ont pu estimer, à l’aide d’ordinateurs, le nombre de neutrinos susceptibles d’être produits par le système énergétique du Soleil. La mesure de ces particules demeurait cependant très difficile, car les neutrinos passent au travers de la Terre et interagissent rarement avec un atome simple.

« Aujourd’hui, j’ai fait ce qu’un théoricien ne devrait jamais faire; j’ai proposé l’existence d’une particule qu’on ne peut déceler. »
— Wolfgang Pauli (1932)

Wolfgang Pauli, 1900-1958
En 1930, Wolfgang Pauli est le premier à proposer l’existence des neutrinos, et ce, pour résoudre un problème en physique nucléaire. Les neutrinos étant presque insaisissables, il faudra attendre 26 ans avant d’en détecter.

4) Les rayons du Soleil

Relativité restreinte et
(L’énergie égale la masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré)

Connexion avec Einstein

En 1905, alors qu’il réfléchissait à la façon dont les lois de la physique régissant la lumière et le mouvement changeraient à haute vitesse, Einstein est arrivé à une conclusion surprenante : la matière et l’énergie doivent forcément présenter des
aspects différents de la même chose !

Dans les profondeurs du centre du Soleil, quatre atomes d’hydrogène fusionnent en un seul atome d’hélium, qui lui est plus léger que les quatre atomes d’hydrogène combinés. La masse supplémentaire est convertie en énergie et éventuellement émise dans l’espace sous forme de rayons de lumière.

SOHO (ASE et NASA)

L’activité à la surface du Soleil nous donne un indice de ce qui se passe dans son noyau. Les neutrinos nous offrent un lien direct avec la « centrale » nucléaire du Soleil, et un moyen de vérifier les théories avancées sur les réactions qui chauffent cet astre – et nous chauffent ici sur Terre.

Quand l’hydrogène fusionne et devient de l’hélium, cette réaction dégage de l’énergie et de minuscules neutrinos. Les scientifiques croyaient à l’origine qu’environ 5,1 millions de neutrinos solaires à haute énergie traversaient chaque centimètre carré de la Terre à chaque seconde.

5) Les neutrinos solaires manquants

Un mystère de vieille date

En 1968, lorsque le scientifique Raymond Davis fils a commencé
à compter les neutrinos solaires, il n’a trouvé que le tiers du nombre espéré.

Cela signifiait-il que les scientifiques connaissaient mal le Soleil?
Ou encore, que Davis avait commis une erreur?

Ce problème a intrigué les physiciens pendant plus de trente ans.

Brookhaven National Laboratory

Raymond Davis fils, 1999

Brookhaven National Laboratory

En 1968, Raymond Davis a été le premier à parvenir à détecter des neutrinos provenant du Soleil. Pour ce faire, il a utilisé ce réservoir de 6 mètres (20 pieds) de diamètre et 15 mètres (48 pieds) de longueur situé dans la mine de Homestake, dans le Dakota du Sud. Le réservoir contenait 400 000 litres (100 000 gallons) de liquide pour le nettoyage à sec (perchloroéthylène).

6) Des neutrinos « napolitains »

Chocolat, fraise ou vanille

Depuis les années 1970, les scientifiques sont convaincus qu’il existe trois types ou « saveurs » de neutrinos: électron-neutrino, muon-neutrino et tau-neutrino. Ils soupçonnent également que les neutrinos peuvent passer d’un type à un autre. Le Soleil ne produit que des électrons-neutrinos, ou neutrinos « à la vanille ».

L’expérience de Davis visait à détecter ces neutrinos à la vanille. Le fait d’avoir capté moins de neutrinos que prévu signifie-t-il que les neutrinos changent de saveur entre le Soleil et la Terre? Les neutrinos à saveur de chocolat et de fraise seraient-ils indétectables?