La Terre génère de la chaleur. Plus tu t'enfonces, plus la température est élevée. A 25km plus bas, les températures montent jusqu'à 750°C; au coeur, on dit qu'il est 4, 000°C. Les humains ont utilisé des sources chaudes dès l'antiquité, et aujourd'hui, nous utilisons la géothermie pour chauffer nos appartements. Éruptions volcaniques, les geysers et les tremblements de terre sont tous des signes de la centrale électrique interne de la Terre.

Le flux de chaleur moyen de la surface de la terre est de 87 mW/m ² - C'est, 1/10, 000e de l'énergie reçue du soleil, ce qui signifie que la terre émet un total de 47 térawatts, l'équivalent de plusieurs milliers de centrales nucléaires. La source de la chaleur terrestre est longtemps restée un mystère, mais nous savons maintenant que la plus grande partie est le résultat de la radioactivité.

La naissance des atomes

Pour comprendre d'où vient toute cette chaleur, il faut remonter à la naissance des éléments atomiques.

Le Big Bang a produit de la matière sous forme de protons, neutrons, électrons, et les neutrinos. Il en a fallu environ 370, 000 ans pour que les premiers atomes se forment :les protons attirent les électrons, produire de l'hydrogène. Autre, noyaux plus lourds, comme le deutérium et l'hélium, formé en même temps, dans un processus appelé nucléosynthèse du Big Bang.

La création d'éléments lourds était beaucoup plus ardue. D'abord, des étoiles sont nées et des noyaux lourds se sont formés par accrétion dans leur creuset enflammé. Ce processus, appelée nucléosynthèse stellaire, a pris des milliards d'années. Puis, quand les étoiles sont mortes, ces éléments se sont dispersés dans l'espace pour être capturés sous forme de planètes.

La composition de la terre est donc très complexe. Heureusement pour nous, et notre existence, il comprend tous les éléments naturels, de l'atome le plus simple, hydrogène, aux atomes lourds comme l'uranium, et tout le reste, carbone, fer—l'ensemble du tableau périodique. A l'intérieur des entrailles de la terre se trouve toute une panoplie d'éléments, disposés dans diverses couches semblables à des oignons.

Nous savons peu de choses sur l'intérieur de notre planète. Les mines les plus profondes descendent jusqu'à 10km, tandis que la terre a un rayon de 6, 500km. La connaissance scientifique des niveaux plus profonds a été obtenue grâce à des mesures sismiques. En utilisant ces données, géologue a divisé la structure de la terre en différentes strates, avec le noyau au centre, solide à l'intérieur et liquide à l'extérieur, suivi des manteaux inférieur et supérieur et, finalement, la croûte. La terre est faite de lourd, éléments instables et est donc radioactif, ce qui signifie qu'il existe un autre moyen de connaître ses profondeurs et de comprendre la source de sa chaleur.

Qu'est-ce que la radioactivité ?

La radioactivité est un phénomène naturel courant et incontournable. Tout sur terre est radioactif, c'est-à-dire tout produit spontanément des particules élémentaires (les humains en émettent quelques milliers par seconde). Au temps de Marie Curie, personne n'avait peur de la radioactivité.

Au contraire, on disait qu'elle avait des effets bénéfiques :les crèmes de beauté étaient certifiées radioactives et la littérature contemporaine vantait les propriétés radioactives de l'eau minérale. Maurice Leblanc a écrit à propos d'une source thermale sauvant son protagoniste Arsène Lupin lors d'une de ses aventures :« L'eau contenait une énergie et une puissance telles qu'elle en faisait une véritable fontaine de jouvence, propriétés résultant de son incroyable radioactivité." (Maurice Leblanc, "La demoiselle aux yeux verts", 1927)

Il existe différents types de radioactivité, chacun impliquant la libération spontanée de particules et émettant de l'énergie qui peut être détectée sous forme de dépôts de chaleur. Ici, on parlera de désintégration "bêta", où un électron et un neutrino sont émis. L'électron est absorbé dès qu'il est produit, mais le neutrino a la capacité surprenante de pénétrer une large gamme de matériaux. La Terre entière est transparente aux neutrinos, la détection des neutrinos générés par la désintégration radioactive au sein de la Terre devrait donc nous donner une idée de ce qui se passe à ses niveaux les plus profonds.

Ces types de particules sont appelés géoneutrinos, et ils offrent une façon originale d'explorer les profondeurs de la Terre. Bien qu'il ne soit pas facile de les détecter, puisque les neutrinos interagissent peu avec la matière, certains détecteurs sont suffisamment importants pour effectuer ce type de recherche.

Les géoneutrinos sont principalement issus d'éléments lourds à très longue demi-vie, dont les propriétés sont aujourd'hui parfaitement comprises par des études de laboratoire :uranium principalement, thorium et potassium. La désintégration d'un noyau d'uranium-238, par exemple, libère en moyenne 6 neutrinos, et 52 mégaélectronvolts d'énergie transportés par les particules libérées qui se logent ensuite dans la matière et déposent de la chaleur. Chaque neutrino transporte environ deux mégaélectronvolts d'énergie. Selon des mesures standardisées, un mégaélectronvolt équivaut à 1,6 10 ^-13 joules, il en faudrait donc une dizaine ²⁵ se désintègre par seconde pour atteindre la chaleur totale de la terre. La question est, ces neutrinos peuvent-ils être détectés ?

Détection des géoneutrinos

En pratique, nous devons effectuer des mesures agrégées sur le site de détection des flux venant de toutes les directions. Il est difficile de déterminer la source exacte des flux, car nous ne pouvons pas mesurer leur direction. Nous devons utiliser des modèles pour créer des simulations informatiques. Connaître le spectre énergétique de chaque mode de désintégration et modéliser la densité et la position des différentes strates géologiques affectant le résultat final, on obtient un spectre global de neutrinos attendus que l'on déduit ensuite du nombre d'événements prédits pour un détecteur donné. Ce nombre est toujours très faible :seulement une poignée d'événements par kilotonne de détecteur par an.

Deux expériences récentes se sont ajoutées à la recherche :KamLAND, un détecteur pesant 1, 000 tonnes sous une montagne japonaise, et Borexino, qui est situé dans un tunnel sous la montagne du Gran Sasso en Italie et pèse 280 tonnes. Les deux utilisent des « scintillateurs liquides ». Pour détecter les neutrinos de la terre ou du cosmos, vous avez besoin d'une méthode de détection efficace aux basses énergies; cela signifie exciter des atomes dans un liquide scintillant. Les neutrinos interagissent avec les protons, et les particules résultantes émises produisent une lumière observable.

KamLAND a annoncé plus de 100 événements et Borexino une vingtaine qui pourraient être attribués aux géoneutrinos, avec un facteur d'incertitude de 20 à 30 %. Nous ne pouvons pas identifier leur source, mais cette mesure globale - bien qu'assez grossière - est conforme aux prédictions des simulations, dans les limites des faibles statistiques obtenues.

Par conséquent, l'hypothèse traditionnelle d'une sorte de réacteur nucléaire au centre de la terre, constitué d'une boule d'uranium de fission comme celles des centrales nucléaires, est désormais exclu. La fission n'est pas une radioactivité spontanée mais est stimulée par des neutrons lents dans une réaction en chaîne.

Il y a maintenant du nouveau, des détecteurs plus efficaces en cours de développement :le SNO+ du Canada, et le chinois Juno, ce qui améliorera notre connaissance des géoneutrinos.

« Loin de l'amoindrir, ajouter l'invisible au visible n'enrichit que ce dernier, lui donne un sens, l'achève." (Paul Claudel, "Positions et propositions", 1928)

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.