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XENONnT réalise une avancée technologique : la première détection de neutrinos solaires de basse énergie interagissant avec des électrons

par Sophie Trincaz - 7 septembre

Chaque seconde, des milliards de neutrinos, produits par les réactions nucléaires au cœur du Soleil, traversent la Terre — et même nos corps — sans que nous nous en rendions compte. Ces particules fantomatiques, parmi les plus abondantes de l’Univers, interagissent si faiblement avec la matière que les détecter représente l’un des défis les plus ardus de la physique moderne.

Aujourd’hui, la collaboration XENON annonce une découverte technologique majeure : pour la première fois, le détecteur XENONnT, installé dans les Laboratoires Nationaux du Gran Sasso en Italie, a réussi à capturer des neutrinos solaires de basse énergie, avec un seuil record de seulement 17 keV (kiloélectronvolts). Il s’agit du seuil le plus bas jamais atteint pour la détection directe de ces particules. Le signal observé est dominé par les neutrinos pp, produits par les réactions de fusion proton-proton qui alimentent le Soleil et qui constituent la grande majorité des neutrinos émis par notre étoile.

XENONnT a été conçu à l’origine pour traquer la matière noire, l’une des composantes les plus mystérieuses de l’Univers. Son cœur est une chambre à projection temporelle remplie de 5,9 tonnes de xénon liquide ultra-pur, protégée par un système de détecteurs à eau et des blindages qui bloquent les perturbations causées par les rayons cosmiques. Lorsqu’un neutrino interagit avec le xénon, il produit de très faibles signaux de lumière et d’ionisation, que le détecteur peut reconstituer avec une précision extrême.
Détecter ces signaux si ténus a nécessité un effort extraordinaire pour éliminer toute source de perturbation. Le principal ennemi ? Le radon, un gaz radioactif présent en traces infimes dans les matériaux du détecteur. La collaboration XENON a développé des techniques de pointe pour réduire ce « bruit de fond », notamment un système de distillation cryogénique qui élimine en continu le radon du xénon. De plus, toutes les autres sources de perturbation, comme les émissions bêta d’isotopes de plomb et de krypton, ont été identifiées et mesurées avec précision.

Cette mesure n’est pas seulement une étape pour XENONnT, mais s’inscrit dans une longue tradition d’études sur les neutrinos solaires menées dans les Laboratoires du Gran Sasso. Dans les années 1990, les expériences GALLEX/GNO avaient mesuré pour la première fois le flux de neutrinos solaires de basse énergie en utilisant des techniques radiochimiques. Plus tard, Borexino avait franchi une nouvelle étape en observant en temps réel les interactions des neutrinos solaires avec un seuil de 335 keV. Aujourd’hui, XENONnT abaisse ce seuil à 17 keV, ouvrant de nouvelles frontières dans l’exploration de ces particules insaisissables.
Les neutrinos sont des messagers directs des processus qui se produisent au cœur du Soleil. Les étudier nous aide à mieux comprendre le fonctionnement de notre étoile et, plus généralement, les mécanismes fondamentaux qui régissent l’Univers. De plus, la capacité à détecter des interactions aussi rares et faibles est un test fondamental pour nos technologies et pour la physique des particules. L’équipe XENON du LPNHE poursuit sa tradition d’être fortement impliquée dans les études portant sur les neutrinos détectables avec XENONnT, tels que les neutrinos de supernovae et les neutrinos solaires issus de la chaîne du 8B.

Les technologies développées pour XENONnT ne servent pas seulement à chercher la matière noire, mais ouvrent également la voie à une nouvelle génération d’observatoires. La future expérience XLZD, avec une masse de détecteur dix fois plus grande, vise à explorer la matière noire avec une sensibilité sans précédent et à étudier les neutrinos solaires avec une précision jamais atteinte auparavant. Cette observation montre comment les innovations nées de la recherche sur la matière noire ouvrent des fenêtres entièrement nouvelles sur l’Univers. Les technologies développées pour observer certains des phénomènes les plus rares de la nature nous permettent désormais d’explorer des questions fondamentales qui vont bien au-delà des objectifs scientifiques initiaux.

Site web de la collaboration : https://xenonexperiment.org/
Contact au LPNHE : Luca Scotto Lavina
Accès ouvert à l’article de la mesure sur arxiv : https://arxiv.org/abs/2608.29450

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