Cela peut ne pas être évident en étant allongé au soleil par une chaude journée d'été, mais une quantité considérable de chaleur vient également d'en dessous de vous - émanant des profondeurs de la Terre. Cette chaleur équivaut à plus de trois fois la consommation électrique totale du monde entier et entraîne d'importants processus géologiques, comme le mouvement des plaques tectoniques et le flux de magma près de la surface de la Terre. Mais malgré cela, d'où provient exactement jusqu'à la moitié de cette chaleur est un mystère.

On pense qu'un type de neutrinos - des particules de masse extrêmement faible - émis par des processus radioactifs à l'intérieur de la Terre peut fournir des indices importants pour résoudre ce mystère. Le problème est qu'ils sont presque impossibles à attraper. Mais dans un nouveau journal, publié dans la revue Communication Nature , nous avons défini un moyen de le faire.

Les sources de chaleur connues de l'intérieur de la Terre sont des désintégrations radioactives, et la chaleur résiduelle de la première formation de notre planète. La quantité de chaleur due à la radioactivité, estimée à partir de mesures de la composition d'échantillons de roche, est très incertain - représentant de 25 à 90 % du flux de chaleur total.

Particules insaisissables

Les atomes des matières radioactives ont des noyaux instables, ce qui signifie qu'ils peuvent se séparer (se désintégrer à un état stable) en dégageant un rayonnement nucléaire - dont certains sont convertis en chaleur. Ce rayonnement est constitué de diverses particules avec des énergies spécifiques – en fonction de la matière qui les a émises – y compris des neutrinos. Lorsque les éléments radioactifs se désintègrent dans la croûte terrestre et le manteau, ils émettent des "géo-neutrinos". En réalité, chaque seconde, la Terre rayonne plus d'un billion de billions de telles particules dans l'espace. La mesure de leur énergie peut renseigner les chercheurs sur la matière qui les a produits et donc sur la composition de l'intérieur caché de la Terre.

Les principales sources connues de radioactivité au sein de la Terre sont des types instables d'uranium, le thorium et le potassium - quelque chose que nous connaissons sur la base d'échantillons de roche jusqu'à 200 km sous la surface. Ce qui se cache sous cette profondeur est incertain. Nous savons que les géo-neutrinos émis lors de la désintégration de l'uranium ont plus d'énergie que ceux émis lors de la séparation du potassium. Ainsi, en mesurant l'énergie des géo-neutrinos, nous pouvons savoir de quel type de matière radioactive ils proviennent. En réalité, c'est un moyen beaucoup plus facile de découvrir ce qu'il y a à l'intérieur de la Terre que de forer des dizaines de kilomètres sous la surface.

Malheureusement, Les géo-neutrinos sont notoirement difficiles à détecter. Plutôt que d'interagir avec de la matière ordinaire comme celle à l'intérieur des détecteurs, ils ont tendance à filer à travers eux. C'est pourquoi il a fallu un énorme détecteur souterrain rempli d'environ 1, 000 tonnes de liquide pour faire la première observation de géo-neutrinos, en 2003. Ces détecteurs mesurent les neutrinos en enregistrant leur collision avec les atomes du liquide.

Depuis, une seule autre expérience a réussi à observer des géo-neutrinos, utilisant une technologie similaire. Les deux mesures impliquent qu'environ la moitié de la chaleur de la Terre causée par la radioactivité (20 térawatts) peut être expliquée par les désintégrations de l'uranium et du thorium. La source des 50 % restants est une question ouverte.

Cependant, les mesures jusqu'à présent n'ont pas permis de mesurer la contribution des désintégrations du potassium - les neutrinos émis dans ce processus ont une énergie trop faible. Il se pourrait donc que le reste de la chaleur provienne de la désintégration du potassium.

Nouvelle technologie

Nos nouvelles recherches suggèrent que nous pouvons dresser une carte du flux de chaleur provenant de l'intérieur de la Terre en mesurant la direction d'où vient le géo-neutrino, ainsi que son énergie. Cela semble simple, mais le défi technologique est redoutable, nécessitant une nouvelle technologie de détection de particules.

Nous proposons d'utiliser des "détecteurs à chambre à projection temporelle" remplis de gaz. De tels détecteurs fonctionnent en créant une image en 3D d'un géo-neutrino entrant en collision avec le gaz à l'intérieur - en faisant tomber un électron d'un atome de gaz. Le mouvement de cet électron peut ensuite être suivi dans le temps pour reconstruire une dimension du processus (le temps). La technologie d'imagerie à haute résolution permet alors de reconstituer les deux dimensions spatiales de son mouvement. Dans les détecteurs de liquide actuellement utilisés, les particules projetées lors des collisions parcourent une distance si courte (parce qu'elles sont dans un liquide) que la direction est impossible à déterminer.

Détecteurs similaires, à plus petite échelle, sont actuellement utilisés pour effectuer des mesures de précision des interactions neutrinos, et à la recherche de matière noire. Nous avons calculé que la taille du détecteur nécessaire pour découvrir les géo-neutrinos du potassium radioactif serait de 20 tonnes. Pour cartographier correctement la composition du manteau pour la première fois, il faudrait qu'il soit 10 fois plus massif. Nous avons construit un prototype pour un tel détecteur, et travaillent à la mise à l'échelle.

Mesurer les géo-neutrinos de cette manière pourrait aider à cartographier le flux de chaleur à l'intérieur de la Terre. Cela nous aiderait à comprendre l'évolution du noyau interne en évaluant la concentration en éléments radioactifs. Cela pourrait également aider à percer le mystère de longue date de la source de chaleur qui alimente la convection (transfert de chaleur par le mouvement des fluides) dans le noyau externe qui génère le champ géomagnétique de la Terre. Ce champ est vital pour conserver notre atmosphère qui protège la vie sur Terre des radiations nocives du soleil.

C'est étrange que nous en sachions si peu sur ce qui se passe sous le sol sur lequel nous marchons. Il est donc passionnant de réfléchir à la façon dont ces mesures pourraient enfin permettre l'exploration pionnière du fonctionnement interne voilé de la Terre.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.