Une équipe internationale d'une centaine de scientifiques de la Collaboration Borexino, dont la physicienne des particules Andrea Pocar de l'Université du Massachusetts à Amherst, rapport dans La nature cette semaine détection des neutrinos du soleil, révélant directement pour la première fois que le cycle de fusion carbone-azote-oxygène (CNO) est à l'œuvre dans notre soleil.

Le cycle CNO est la source d'énergie dominante alimentant des étoiles plus lourdes que le soleil, mais il n'avait jusqu'à présent jamais été détecté directement dans aucune étoile, Pocar explique.

Pendant une grande partie de leur vie, les étoiles obtiennent de l'énergie en fusionnant de l'hydrogène en hélium, il ajoute. Dans les étoiles comme notre soleil ou plus léger, cela se produit principalement à travers les chaînes «proton-proton». Cependant, beaucoup d'étoiles sont plus lourdes et plus chaudes que notre soleil, et inclure des éléments plus lourds que l'hélium dans leur composition, une qualité connue sous le nom de métallicité. La prédiction depuis les années 30 est que le cycle CNO sera dominant dans les étoiles lourdes.

Les neutrinos émis dans le cadre de ces processus fournissent une signature spectrale permettant aux scientifiques de distinguer ceux de la « chaîne proton-proton » de ceux du « cycle CNO ». Pocar fait remarquer, "Confirmation du CNO brûlant dans notre soleil, où il ne fonctionne qu'à un pour cent, renforce notre confiance que nous comprenons comment fonctionnent les étoiles."

Au delà de ça, Les neutrinos du CNO peuvent aider à résoudre une importante question ouverte en physique stellaire, il ajoute. C'est-à-dire, comment la métallicité centrale du soleil, comme ne peut être déterminé que par le taux de neutrinos CNO du cœur, est lié à la métallicité ailleurs dans une étoile. Les modèles traditionnels se sont heurtés à une difficulté :les mesures de métallicité de surface par spectroscopie ne concordent pas avec les mesures de métallicité sous la surface déduites d'une méthode différente, observations d'héliosismologie.

Pocar dit que les neutrinos sont vraiment la seule sonde directe que la science possède pour le cœur des étoiles, y compris le soleil, mais ils sont extrêmement difficiles à mesurer. Pas moins de 420 milliards d'entre eux frappent chaque centimètre carré de la surface de la terre par seconde, pourtant, pratiquement tous passent sans interagir. Les scientifiques ne peuvent les détecter qu'à l'aide de très grands détecteurs avec des niveaux de rayonnement de fond exceptionnellement bas.

Le détecteur Borexino se trouve profondément sous les montagnes des Apennins, dans le centre de l'Italie, aux Laboratori Nazionali del Gran Sasso de l'INFN. Il détecte les neutrinos sous forme d'éclairs de lumière produits lorsque des neutrinos entrent en collision avec des électrons dans 300 tonnes de scintillateur organique ultra-pur. Sa grande profondeur, la taille et la pureté font de Borexino un détecteur unique pour ce type de science, seul dans sa catégorie pour le rayonnement à faible bruit de fond, dit Pocar. Le projet a été initié au début des années 1990 par un groupe de physiciens dirigé par Gianpaolo Bellini à l'Université de Milan, Frank Calaprice à Princeton et feu Raju Raghavan aux Bell Labs.

Jusqu'à ses dernières détections, la collaboration Borexino avait réussi à mesurer les composantes des flux de neutrinos solaires « proton-proton », aidé à affiner les paramètres d'oscillation de saveur des neutrinos, et le plus impressionnant, même mesuré la première étape du cycle :les neutrinos 'pp' de très basse énergie, se souvient Pocar.

Ses chercheurs rêvaient d'élargir la portée scientifique pour rechercher également les neutrinos du CNO - dans une région spectrale étroite avec un bruit de fond particulièrement faible - mais ce prix semblait hors de portée. Cependant, groupes de recherche à Princeton, Virginia Tech et UMass Amherst pensaient que les neutrinos du CNO pourraient encore être révélés en utilisant les étapes et les méthodes de purification supplémentaires qu'ils avaient développées pour réaliser la stabilité de détecteur exquise requise.

Au fil des années et grâce à une succession de mouvements pour identifier et stabiliser les fonds, les scientifiques américains et l'ensemble de la collaboration ont été couronnés de succès. "Au-delà de la révélation des neutrinos du CNO qui fait l'objet de l'article Nature de cette semaine, il existe même maintenant un potentiel pour aider à résoudre le problème de la métallicité, " dit Pocar.

Avant la découverte des neutrinos du CNO, le laboratoire avait programmé la fin des opérations de Borexino à la fin de 2020. Mais parce que les données utilisées dans l'analyse pour le papier Nature étaient gelées, les scientifiques ont continué à collecter des données, comme la pureté centrale a continué à s'améliorer, faire d'un nouveau résultat axé sur la métallicité une réelle possibilité, dit Pocar. La collecte de données pourrait s'étendre jusqu'en 2021 car la logistique et les permis requis, en cours, sont non négligeables et prennent du temps. "Chaque jour supplémentaire aide, " remarque-t-il.

Pocar accompagne le projet depuis ses études supérieures à Princeton dans le groupe dirigé par Frank Calaprice, où il a travaillé sur la conception, construction du navire en nylon et la mise en service du système de traitement des fluides. Il a ensuite travaillé avec ses étudiants de l'UMass Amherst sur l'analyse de données et, plus récemment, sur les techniques de caractérisation des fonds pour la mesure des neutrinos CNO.