Première observation par XENONnT de la diffusion des neutrinos solaires de basse énergie avec les électrons

Les scientifiques de la collaboration XENON ont récemment annoncé la première observation du phénomène de diffusion des neutrinos solaires de basse énergie avec les électrons dans le détecteur de particules XENONnT. Ces résultats ont été présentés le 31 août 2026 lors d'un séminaire organisé au Laboratoire national du Gran Sasso de l'Institut national de physique nucléaire italien. L'équipe de la professeure Teresa Marrodán Undagoitia et du docteur Hardy Simgen de l'Institut Max-Planck de physique nucléaire a joué un rôle clé dans l'expérience.

La fusion nucléaire à l'intérieur du Soleil produit en continu une grande quantité de neutrinos, et des dizaines de milliards de neutrinos traversent chaque seconde chaque centimètre carré de la surface terrestre. En raison de l'interaction extrêmement faible des neutrinos avec la matière, la détection de ces particules a toujours constitué un défi majeur dans les expériences de physique des particules. La mesure réalisée par XENONnT étend la limite d'énergie des neutrinos observés directement à environ 17 kiloélectronvolts (keV), soit le seuil d'énergie neutrino le plus bas jamais atteint. Les signaux actuellement mesurés proviennent principalement des « neutrinos pp », c'est-à-dire les neutrinos produits par la réaction de fusion proton-proton au sein du Soleil, qui représentent la majeure partie du rayonnement neutrino solaire.

Le détecteur XENONnT est situé à environ 1400 mètres sous terre dans le massif du Gran Sasso en Italie, et sa construction et son exploitation impliquent environ 30 institutions de recherche internationales. Son dispositif central est une chambre à projection temporelle au xénon biphasé, contenant 5,9 tonnes de xénon liquide de haute pureté, utilisée pour enregistrer les faibles éclairs lumineux et les signaux d'ionisation produits par les interactions des particules. À l'extérieur du détecteur central sont également disposés deux détecteurs Tcherenkov à eau, destinés à identifier les signaux de bruit de fond des neutrons et des muons provenant des rayons cosmiques.

XENONnT a été initialement conçu principalement pour rechercher les particules hypothétiques de matière noire dans la Voie lactée. Auparavant, ce dispositif avait déjà observé la diffusion cohérente élastique neutrino-noyau induite par les neutrinos solaires de haute énergie. L'obtention de ce signal de diffusion des neutrinos solaires de basse énergie avec les électrons démontre que ce même détecteur, tout en poursuivant la recherche de matière noire, peut également être utilisé pour étudier des questions liées à la physique des neutrinos.

Afin de capturer les signaux extrêmement faibles des neutrinos de basse énergie, l'expérience nécessite de réduire et de quantifier avec la plus grande précision possible le bruit de fond du détecteur. La collaboration XENON mène depuis longtemps des activités de sélection des matériaux et utilise un système spécialisé de distillation cryogénique pour éliminer en continu le radon du xénon, tout en identifiant et en quantifiant les sources de bruit de fond à faible radioactivité telles que les désintégrations bêta des isotopes du plomb et du krypton, ainsi que les traces de rayonnement gamma provenant des matériaux du détecteur.

La collaboration a indiqué que les technologies à faible bruit de fond développées pour XENONnT et son prédécesseur XENON1T jetteront les bases des futurs dispositifs de détection au xénon liquide de nouvelle génération. L'expérience XLZD prévue, dont la masse de xénon sera environ dix fois supérieure à celle de XENONnT, devrait permettre d'améliorer encore la sensibilité de détection de la matière noire et de mesurer avec une plus grande précision les neutrinos solaires de basse énergie, offrant ainsi de nouvelles conditions expérimentales pour la recherche en physique des neutrinos et sur d'autres processus rares.