En 2009, le physicien appliqué Peter Sturrock visitait le National Solar Observatory à Tucson, Arizona, lorsque le directeur adjoint de l'observatoire lui a dit qu'il devrait lire un article controversé sur la désintégration radioactive. Bien que le sujet soit hors du champ de Sturrock, cela a inspiré une pensée si intrigante que le lendemain il a téléphoné à l'auteur de l'étude, Physicien de l'Université Purdue Ephraim Fischbach, proposer une collaboration.

Fischbach a répondu, « Nous étions sur le point de vous téléphoner.

Plus de sept ans plus tard, que la collaboration pourrait aboutir à un appareil de table peu coûteux pour détecter les neutrinos insaisissables plus efficacement et à moindre coût qu'il n'est actuellement possible, et pourrait simplifier la capacité des scientifiques à étudier le fonctionnement interne du soleil. Le travail a été publié dans le numéro du 7 novembre de Physique solaire .

"Si nous avons raison, cela signifie que les neutrinos sont beaucoup plus faciles à détecter que les gens ne le pensaient, " dit Sturrock, professeur émérite de physique appliquée. "Tout le monde pensait qu'il faudrait faire de grosses expériences, avec des milliers de tonnes d'eau ou d'autres matières, qui peut impliquer d'énormes consortiums et d'énormes dépenses, et vous pourriez obtenir quelques milliers de comptes par an. Mais nous pouvons obtenir des données similaires ou même meilleures à partir d'une expérience impliquant seulement des microgrammes de matière radioactive."

Pourquoi, comment nous étudions les neutrinos

Depuis vingt ans, Sturrock et son collègue Jeff Scargle, astrophysicien et data scientist au NASA Ames Research Center, ont étudié les neutrinos, particules subatomiques sans charge électrique et de masse presque nulle, qui peut être utilisé pour en savoir plus sur l'intérieur du soleil.

Les réactions nucléaires dans le noyau solaire produisent des neutrinos. Une caractéristique unique des neutrinos est qu'ils interagissent rarement avec d'autres particules et peuvent donc s'échapper facilement du soleil, nous apportant des informations sur l'intérieur solaire profond. L'étude des neutrinos est considérée comme le meilleur moyen d'obtenir des informations directes sur le centre du soleil, qui est autrement en grande partie un mystère. Les neutrinos peuvent aussi nous renseigner sur les supernovas, la création de l'univers et bien plus encore.

Sur Terre, une zone de la taille d'un ongle est traversée par 65 milliards de neutrinos chaque seconde. Mais seulement un ou deux dans une vie entière s'arrêteront réellement dans notre corps. L'étude des neutrinos implique un équipement et des dépenses considérables pour piéger suffisamment de particules insaisissables pour l'enquête.

Maintenant, l'étalon-or pour la détection des neutrinos est le Super-Kamiokande du Japon, un magnifique observatoire de 100 millions de dollars. En service depuis 1996, Super-Kamiokande se trouve 1, 000 mètres sous terre. Il se compose d'un réservoir rempli de 50, 000 tonnes d'eau ultra pure, entouré d'environ 13, 000 tubes photomultiplicateurs. Si un neutrino pénètre dans l'eau et y interagit avec des électrons ou des noyaux, il en résulte une particule chargée qui se déplace plus rapidement que la vitesse de la lumière dans l'eau. Cela conduit à une onde de choc optique, un cône de lumière appelé rayonnement Cherenkov. Cette lumière est projetée sur la paroi du réservoir et enregistrée par les tubes photomultiplicateurs.

Défis passés en matière de détection

Le prix Nobel de physique 2002 a été décerné à Masatoshi Koshiba de Super-Kamiokande et Raymond Davis Jr. de l'observatoire de neutrinos Homestake pour le développement de détecteurs de neutrinos et « pour la détection de neutrinos cosmiques ». Un détail troublant de ce travail était que, avec leurs méthodes de détection révolutionnaires, ils détectaient un tiers à moitié moins de neutrinos que prévu, un problème connu sous le nom de "problème des neutrinos solaires". On a d'abord pensé que ce déficit était dû à des problèmes expérimentaux. Mais, une fois confirmé par Super-Kamiokande, le déficit a été accepté comme réel.

L'année précédant le prix Nobel, cependant, les scientifiques ont annoncé une solution au problème des neutrinos solaires. Il s'est avéré que les neutrinos oscillent entre trois formes (électron, muon et tau) et les détecteurs étaient principalement sensibles aux seuls neutrinos électroniques. Pour la découverte de ces oscillations, le prix Nobel de physique 2015 a été décerné à Takaaki Kajita de Super-Kamiokande et Arthur B. MacDonald de l'Observatoire de neutrinos de Sudbury.

Même avec ces développements dignes d'un prix Nobel dans la recherche et les équipements à leur disposition, les scientifiques ne peuvent encore détecter que quelques milliers d'événements de neutrinos chaque année.

Une nouvelle option pour la recherche

Les recherches dont Sturrock a eu connaissance à Tucson concernaient les fluctuations du taux de désintégration des éléments radioactifs. Les fluctuations étaient très controversées à l'époque car on pensait que le taux de désintégration de tout élément radioactif était constant. Sturrock a décidé d'étudier ces résultats expérimentaux en utilisant des techniques analytiques que lui et Scargle avaient développées pour étudier les neutrinos.

En examinant les fluctuations de la décroissance radioactive, l'équipe a trouvé des preuves que ces fluctuations correspondaient aux modèles qu'ils avaient trouvés dans les données de neutrinos de Super-Kamiokande, chacun indiquant une oscillation d'un mois attribuable à la rotation solaire. La conclusion probable est que les neutrinos du soleil affectent directement les désintégrations bêta. Cette connexion a été théorisée par d'autres chercheurs remontant à 25 ans, mais l'analyse de Sturrock-Fischbach-Scargle ajoute la preuve la plus solide à ce jour. Si cette relation tient, une révolution dans la recherche sur les neutrinos pourrait être en marche.

"Cela signifie qu'il existe une autre façon d'étudier les neutrinos qui est beaucoup plus simple et beaucoup moins coûteuse que les méthodes actuelles, " dit Sturrock. " Quelques données, des informations, vous n'obtiendrez pas des désintégrations bêta, mais seulement à partir d'expériences comme Super-Kamiokande. Cependant, l'étude de la variabilité de la désintégration bêta indique qu'il existe une autre façon de détecter les neutrinos, celui qui vous donne une vision différente des neutrinos et du soleil."

Sturrock a déclaré que cela pourrait marquer le début d'un nouveau domaine dans la recherche sur les neutrinos et la physique solaire. Lui et Fischbach voient la possibilité de détecteurs de paillasse qui coûteraient des milliers plutôt que des millions de dollars.

Les prochaines étapes pour l'instant seront de rassembler des données plus nombreuses et de meilleure qualité et de travailler à une théorie qui puisse expliquer comment tous ces processus physiques sont connectés.