dimanche 19 juin 2022

Neutrinos : nouvelle observation de l'"Anomalie du Gallium"


C'est un très bel exemple de ce que pouvaient faire des physiciens états-uniens et russes lorsqu'ils collaboraient encore. L'article dont nous parlons aujourd'hui a été reçu par la Physical Review Letters le 23 septembre 2021, et a été accepté pour publication le 28 février 2022, 4 jours après l'invasion russe de l'Ukraine et le bannissement international des scientifiques russes. Il s'agit de la confirmation expérimentale de l'anomalie des neutrinos qu'on appelle "l'anomalie du gallium", ici issue de l'expérience internationale BEST installée en Russie. Cette confirmation d'une anomalie connue depuis très longtemps pourrait être le signe de l'existence d'un quatrième neutrino, sans aucune interaction, et qui aurait des conséquences énormes en astrophysique.

BEST signifie Baksan Experiment on Sterile Transitions, elle est installée dans le laboratoire souterrain de Baksan situé dans le Caucase, dédié à l'étude des neutrinos. Le laboratoire se trouve sous le Mont Andyrchi, une montagne de 4 000 mètres d'altitude, au bout d'un tunnel de 4000 m creusé horizontalement dans les années 1970. Il se trouve ainsi à une profondeur de 2100 m, qui correspond à 4700 m équivalent eau, ce qui en fait l'un des laboratoires souterrains les plus efficaces à l'abri du rayonnement cosmique, pour l'étude d'événements rares comme les interactions de neutrinos ou de particules de matière noire. Il a notamment abrité le télescope à neutrinos nommé SAGE (Soviet-American Gallium Experiment) à partir de la fin des années 1980 (avec un début des mesures en décembre 1989, un mois après la chute du mur de Berlin...) et jusqu'en 2007.
Vladislav Barinov (Institut de Recherche Nucléaires de l'académie des sciences russe) et ses collaborateurs états-uniens, canadiens et japonais se sont repenchés sur une anomalie qui avait été observée dans l'expérience SAGE, mais aussi dans l'expérience internationale GALLEX (installée au Laboratoire souterrain du Gran Sasso entre 1991 et 1997). En bombardant du gallium-71 avec des neutrinos électroniques, on produit du germanium-71. Mais les physiciens de SAGE comme ceux de GALLEX, qui exploitaient cette réaction pour détecter des neutrinos solaires en mesurant la quantité de 71Ge produit dans une cible de gallium, avaient remarqué que lorsqu'ils faisaient des calibrations de leurs détecteurs au gallium avec une source de neutrinos connue, la quantité de 71Ge qui était mesurée était systématiquement plus faible que celle qui était attendue, d'environ 15%.  
La collaboration BEST a repris exactement le même protocole expérimental que celui qui était utilisé par les expériences antérieures pour leurs calibrages. Les physiciens ont utilisé une énorme source radioactive de 51Cr, qui a été produite spécialement par l'irradiation pendant 100 jours dans le réacteur nucléaire de Dimitrovgrad d'un bloc de chrome de 4 kg enrichi en chrome-50, sous la forme de 26 disques de chrome métallique. Cette source radioactive de chrome-51 avait au début de l'expérience (le 5 juillet 2019) une activité de 3,4 MCi, ou si on préfère 126 PetaBecquerels (126 millions de milliards de désintégrations par seconde, et autant de neutrinos électroniques partant dans toutes les directions).
La source radioactive qui décroit rapidement (avec une demi-vie de 27,7 jours), bien blindée pour absorber le rayonnement gamma et X heureusement peu pénétrant (320 keV au maximum) a été placée au centre d'un réservoir à double couche remplies de gallium métallique liquide (sa température de fusion est de 29°) entre le 5 juillet et le 13 octobre 2019. Le premier volume sphérique de gallium a un diamètre de 1,33 m et contient 7,47 tonnes de gallium et il est placé dans un cylindre de 2,15 m de diamètre et 2,34 m de hauteur qui contient 39,9 tonnes de gallium.
La production de germanium-71 par les neutrinos a été mesurée à intervalles réguliers à 10 reprises dans chacun des deux compartiments : réservoir intérieur et extérieur après extraction du gallium. Les deux zones de production de germanium-71 sont séparées d'une distance de l'ordre du mètre pour observer un éventuel phénomène d'oscillation de neutrinos à très courte distance. 



Le rapport entre les taux de production de 71Ge mesurés par rapport aux taux prédits pour les volumes internes et externes de la cible de gallium sont calculés à partir de la section efficace de capture connue des neutrinos. L'analyse des quantités de germanium-71 produites au cours du temps qu'ont menée Barinov et ses collaborateurs, après soustraction de la petite composante induite par les neutrinos solaires, montre des déficits comparables dans les deux zones par rapport aux valeurs prédites. Dans le réservoir interne, ils mesurent en moyenne un taux de production de 54,9 ± 2,5 noyaux de Ge-71 par jour (valeurs corrigées de la décroissance radioactive de la source de Cr-51) et dans le réservoir externe : 55,5 ± 2,7 noyaux par jour. Or la prédiction théorique était respectivement de 69,4 ± 2,7 et 72,6 ± 2,7 noyaux/jour.  Il manque à l'appel entre 21 et 23% de neutrinos électroniques. 
Ces écarts apparaissent cohérents avec l'anomalie du gallium qui avaient été observée dans les expériences SAGE et GALLEX. Et si on interprète cette disparition de neutrinos électroniques dans dans le contexte des oscillations de neutrinos, on peut déterminer les paramètres d'oscillation les mieux ajustés pour une oscillation vers un état stérile de neutrino (une quatrième saveur plus massive et sans aucune interaction), ce qui donne : Δm² = 3,3 eV² et sin²(2θ) = 0,42 (+0,15 -0,17), donc un angle de mélange étonnamment grand.

Parmi les autres explications possibles de l'anomalie, il y aurait celle d'une mauvaise estimation de la section efficace du neutrino électronique dans la production du Ge-71 (sa probabilité d'interaction). Il faut dire que cette section efficace n'a jamais été mesurée directement aux énergies des neutrinos du Cr-51 (4 raies monoénergétiques à 747 keV (81,63%), 427 keV (8,95%), 752 keV (8,49%), et 432 keV (0,93%)). Dans le Cr-51, il s'agit d'une radioactivité un peu particulière qu'on appelle la capture électronique, dans laquelle un électron du cortège électronique est absorbé par un proton qui se transforme alors en neutron et émet un neutrino, et lorsque le neutrino interagit un peu plus tard avec un noyau de gallium-71 pour former du germanium-71, le phénomène inverse a lieu : le neutrino interagit avec un neutron, le transforme en proton et libère un électron monoénergétique. Mais pour calculer la section efficace de ce processus, on a besoin de bien connaître la densité d'électrons au niveau du noyau atomique, ce qui n'est pas très facile...
En attendant, il est quand même tentant d'imaginer l'existence d'une quatrième saveur de neutrino révélée par cette expérience relativement simple dont la méthodologie a fait l'objet d'un examen approfondi afin de s'assurer qu'aucune erreur n'a été commise dans certains aspects, comme le placement des sources de rayonnement ou le fonctionnement du système de comptage. Des futures expériences du même type pourraient inclure une source de rayonnement différente avec une énergie plus élevée, une demi-vie plus longue et une sensibilité à des longueurs d'onde d'oscillation plus courtes, selon les chercheurs. Mais il est peu probable que les physiciens russes, seuls désormais et sans financement américain, se lancent dans l'aventure au laboratoire de Baksan...

Source

Results from the Baksan Experiment on Sterile Transitions (BEST)
V. Barinov et al
Physical Review Letters 128, 232501 (9 june 2022)

Illustration 

1. Installation de l'expérience BEST dans le laboratoire de Baksan (Joint Institute for Nuclear Research)
2. Taux de production de Germanium-71 mesuré durant 140 jours (en rouge), comparé avec la prédiction (en bleu), la figure du bas est corrigée de la décroissance naturelle de la source de Chrome-51 (Barinov et al.)
3. Réservoir extérieur de BEST devant contenir le gallium liquide et la source de chrome-51 (AA Shikhin)

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