Le noyau du Soleil est un endroit violent. Une pression et une densité immenses rapprochent les noyaux, surmontant la répulsion électrostatique naturelle qui sépare les protons. Il s’agit d’un jeu de physique nucléaire aux enjeux élevés. Dans cet environnement, l’énergie est générée par une chaîne d’événements spécifique.
Mais il y avait un problème. Un casse-tête de plusieurs décennies en astrophysique connu sous le nom de problème des neutrinos solaires. Les détecteurs sur Terre ont détecté beaucoup moins de neutrinos provenant du Soleil que ce que la théorie prévoyait. Les particules manquantes n’étaient pas simplement une erreur de mesure. Ils ont mis en évidence un mystère plus profond dans le fonctionnement de la matière.
Le processus de désintégration bêta inverse
Pour comprendre le déficit, il faut regarder la source. Le Soleil fonctionne grâce à la fusion. Plus précisément, il repose sur la chaîne proton-proton. La plupart du temps, les protons rebondissent les uns sur les autres. Parfois, un proton se rapproche suffisamment d’un autre pour interagir. Cela n’arrive pas à chaque seconde. Il s’agit d’une collision rare pour un seul proton.
Lorsqu’ils se connectent, une désintégration bêta inverse se produit. Un proton se transforme en neutron. Il se combine avec le deuxième proton pour former un deuton. Ce processus libère de l’énergie. Il libère également deux autres particules.
- Un électron (e −).
- Un neutrino (ν).
Le neutrino est une particule subatomique. Il n’a presque pas de masse. Il interagit extrêmement faiblement avec la matière. Elle traverse les planètes comme la lumière traverse le verre. Pourtant, des milliards d’entre eux circulent dans votre corps chaque seconde.
Le décompte manquant
La théorie affirmait que pour chaque événement de fusion, un neutrino est produit. Si le noyau du Soleil fusionne de l’hydrogène comme le suggèrent les modèles, la Terre devrait être bombardée par un flux spécifique et constant de ces particules. Les physiciens expérimentaux ont construit des détecteurs pour les détecter. Ils ont attendu. Ils comptaient.
Les chiffres ne correspondaient pas.
Le flux observé était nettement inférieur au flux prévu. L’écart était grand. Ce n’était pas une petite marge d’erreur. C’était une divergence fondamentale. Pendant longtemps, les scientifiques se sont demandés si les modèles solaires étaient erronés. Le Soleil a-t-il brûlé différemment de ce qui avait été calculé ? Le noyau était-il plus froid ? Les taux de fusion étaient-ils inexacts ?
Les données suggèrent le contraire. Le Soleil semblait fonctionner exactement comme le disait la théorie. La production d’énergie correspondait aux prévisions. La température centrale est restée stable. La seule variable qui ne correspondait pas était le nombre de neutrinos lui-même.
Le soleil brillait de mille feux. Le calcul a fonctionné. Les neutrinos n’arrivaient tout simplement pas en nombre attendu.
Ce n’était pas seulement un ajustement mineur. Cela nécessitait de repenser la nature du neutrino. Si les particules disparaissaient, disparaissaient-elles ? Ou ont-ils changé d’identité avant d’atteindre la Terre ? La réponse nécessiterait un changement dans le modèle standard de la physique des particules. Les neutrinos manquants n’ont pas été perdus. Ils se cachaient à la vue de tous, transformés en types que nos premiers détecteurs ne pouvaient pas voir.
La mécanique de la fusion stellaire
La plupart des atomes d’hydrogène ne fusionneront jamais. Ils dérivent dans l’espace, trop froids, trop éloignés les uns des autres. Mais l’hydrogène est si abondant que les événements rares s’additionnent. Cette rareté est exactement la raison pour laquelle la fusion domine le budget énergétique du Soleil. La réaction en chaîne est lente au début. Un deuton rencontre un proton pour créer de l’hélium-3. Ces particules entrent à nouveau en collision pour former de l’hélium-4. Quatre atomes d’hydrogène disparaissent. Il reste un atome d’hélium. L’énergie excédentaire s’échappe sous forme de rayons gamma et de neutrinos.
La température compte énormément ici. Les noyaux doivent franchir une barrière électrostatique pour pouvoir être touchés. S’ils manquent de chaleur, ils rebondissent. La vitesse de réaction évolue avec la quatrième puissance de la température. Une légère augmentation de la chaleur signifie une augmentation massive de la production d’énergie.
Suivi des particules invisibles
L’équation (1) suit cette conversion. Pour deux atomes d’hydrogène traités, un neutrino émerge. Il transporte une énergie moyenne de 0,26 MeV. Cela ne représente que 1,3 pour cent du total des rejets. Pourtant, le flux est stupéfiant. Huit fois dix puissance dix, des neutrinos frappent chaque centimètre carré de la Terre chaque seconde. Ils nous traversent sans laisser de trace.
Pour les détecter, il fallait creuser. Raymond Davis a construit son expérience au plus profond de la mine d’or Homestake à Lead, dans le Dakota du Sud. Il est allé sous terre pour protéger ses détecteurs du bruit cosmique. Le prix Nobel a suivi en 2002. Mais les premiers résultats étaient erronés. C’est du moins ce qu’il semblait.
Les neutrinos de la première étape de la chaîne ont une faible énergie. En dessous de 0,42 MeV. L’équipement de Davis ne pouvait pas les voir. Il s’est appuyé sur les neutrinos de plus haute énergie provenant des étapes ultérieures. Le nombre était bien inférieur à ce que la théorie prévoyait. Le Soleil s’assombrissait ? Ou la physique a-t-elle été brisée ?
Résoudre le problème des neutrinos solaires
Deux explications flottaient. Premièrement : les taux subatomiques sont mal calculés. Le Soleil brûle différemment de ce que nous pensions. C’est une possibilité banale. Il conserve intact le modèle standard. C’est probablement également faux.
L’autre option était plus étrange. Et si les neutrinos changeaient ? En voyageant à travers la masse dense du Soleil, se transforment-ils en un type que nos détecteurs ne peuvent pas détecter ? Cette oscillation impliquerait que les neutrinos aient une masse. Une toute petite masse, mais une masse quand même. Cela contredisait la croyance dominante selon laquelle ils étaient sans masse.
La réponse est arrivée à 2 100 mètres sous terre. L’Observatoire de neutrinos de Sudbury se trouve dans une mine de nickel de Creighton, près de Sudbury, en Ontario. Les données étaient claires. Les neutrinos manquants n’avaient pas disparu. Ils avaient changé de saveur. Le problème des neutrinos solaires a été résolu. Les neutrinos oscillent. Ils ont du poids. Le Soleil est plus brillant que ce que les premiers détecteurs pouvaient voir, mais l’univers est plus étrange que prévu.
