Thierry Stolarczyk

Chasseur de particules cosmiques

GALLEX
GALLEX (GALLium EXperiment) était une expérience pionnière de détection des neutrinos solaires, et en particulier des neutrinos solaires dits primordiaux, produits lors des premières réactions de fusions de l'hydrogène en hélium. En 1992 et dans les années qui suivirent, GALLEX contribua à montrer que le déficit de neutrinos solaires mesuré depuis le début des années 70 n'était pas dû à une mauvaise compréhension du fonctionnement du Soleil mais à la transformation des neutrinos lors de leur trajet entre le Soleil et la Terre.

Cette vidéo a été réalisée en 1992 pour une émission scientifique grand public (déprogrammée, le clip n'a jamais été diffusé) - (c) CEA, 1992

 

Le texte ci-dessous est extrait et adapté du manuscrit de thèse, "Bruits de fond dans l'expérience GALLEX de détection des neutrinos solaires" (introduction)

Les neutrinos émis lors des réactions de fusion de l’hydrogène au cœur du Soleil sont un moyen d’observation directe des phénomènes qui s’y déroulent.
En effet, contrairement aux photons, ils s’échappent de la matière stellaire quasiment sans interagir. Leur détection nous permet donc de vérifier les hypothèses du modèle solaire standard qui, à partir des caractéristiques les plus accessibles (rayon, masse, luminosité), permet d’établir les propriétés les plus intimes du Soleil : la distribution en température, la densité de matière... les lieux de production des neutrinos ainsi que leur flux.

Les neutrinos les plus nombreux émis, plus de 90% du total, sont ceux de la réaction primordiale de fusion de deux protons (p + p → 2H + e+ + νe). Ils sont également ceux dont le flux est prédit avec le plus de précision par le modèle standard, d’où l’intérêt de pouvoir les détecter.

L'expérience radiochimique GALLEX (GALLium EXperiment) avait choisi de détecter ces neutrino à partir de la réaction νe + 71Ga → 71Ge + e- (seuil : 233 keV) où le passage d’un neutrino etait signé par l’observation de la désintégration du 71Ge produit. GALLEX utilisait 30 tonnes de gallium naturel sous forme d’une solution de chlorure de gallium et était installée dans le massif du Gran Sasso en Italie, sous 1500 mètres de roche.

GALLEX n'était pas seulement destinée à la détection de ces neutrinos “primordiaux”. Elle pouvait permettre d’aider à résoudre “le problème des neutrinos solaires” qui depuis la fin des années 1960 mettait en difficulté le modèle standard du Soleil et enrichissaitt la physique des particules élémentaires de nouvelles idées.

Ce problème, défintivement résolu en 2011, etait né avec l’expérience chlore au début des années 70. L'expérience chlore est sensible à des neutrinos d’énergie moyenne plus élevée que pour les expériences gallium et de flux 10000 fois plus faible : les neutrinos de la désintégration du bore (8B → 8Be* + e+ νe). Cette expérience utilisait la réaction 37Cl + ν 37Ar + e- (seuil : 814 keV) et mesurait un flux environ 3 fois plus faible que celui prédit par le modèle solaire standard. Ce désaccord avait été confirmé en 1989 par l’expérience Kamiokande II qui utilisait un moyen de détection totalement différent (observation de la lumière Tcherenkov émise par les électrons de la matière sur lesquels les neutrinos ont diffusé - le successeur de Kamiokande est SuperKamiokande, toujours en opération). Le nombre d’interactions signant le passage d’un neutrino est extrêmement faible. Dans l’expérience chlore c’est seulement 0,5 atome de 37Ar qui est produit par jour.

Dans GALLEX, si le flux des neutrinos avait été celui attendu dans le cadre du modèle standard, 1,2 atome de 71Ge seulement auraient dus être produits par jour dans la solution. Parce que les νe du Soleil se transforment au cours de leur voyage vers la Terre, c'est moins d'un atome qui a été produit par jour dans le réservoir de Gallex.

Le détecteur et la collaboration

Les laboratoires participant à l'expérience GALLEX en 1990 (Note RFA signifie "République Fédérale d'Allemagne", à une époque où les deux allemagnes n'étaient pas réunifiées):
  • Max-Planck Institut für Kernphysik (Heidelberg-RFA)
  • Kernforschungszentrum Karlsruhe - KFK (RFA)
  • Dip. di fisica dell'Universita Milano (Italie)
  • Laboratori Nazionali del Gran Sasso - INFN (Italie)
  • Physik Dept.E15 - Technische Universität München (RFA),
  • Université de Nice-Observatoire
  • Universita di Roma II (Italie)
  • Centre d'Etudes Nucléaires de Saclay
  • Weizmann Institute of sciences - Rehovot (Israël)
  • Brookhaven National Laboratory (USA).
  • La première proposition d’expérience gallium date de 1978. Au cours des années 1979-1982 une expérience pilote, employant 1,26 tonne de gallium sous forme de 4,26 tonnes d’une solution de GaCl3 + HCl, fut menée à bien par une collaboration du Brookhaven National Laboratory et du Max-Planck Institut d’Heidelberg. Cette expérience fit la preuve que la détection des neutrinos solaires était possible pourvu que l’on dispose d’au moins 30 tonnes de gallium.

    En 1985 s’est constituée la collaboration GALLEX comprenant une cinquantaine de personnes réparties entre une dizaine de laboratoires (Cf. encadré). Le détecteur était placé dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso près de l’Aquila, à 125 km au nord-est de Rome. Ce laboratoire se trouve à 6,3 km de l’entrée d’un tunnel autoroutier. L’épaisseur de roche à la verticale est d’environ 1500 m (l'équivalent de 3500 m d'eau) ce qui constitue un blindage naturel contre les rayons cosmiques dont le flux à cette profondeur  est réduit d’un facteur 100 000. Le laboratoire souterrain comprend trois halls expérimentaux. Le hall A abrite les deux bâtiments de l’expérience : le Gallex Main Building et le Low Level Building.

    Le bâtiment principal

    Le Gallex Main Building renferme le réservoir-cible (réservoir A, volume total : 70 m3, rempli de 30 tonnes de gallium naturel sous la forme d’une solution liquide extrêmement corrosive de GaCl3 + HCl (volume : 54 m3). Le gallium naturel se compose à 39,9% de 71Ga et à 60,1% de 69Ga.

    A côté du réservoir A on trouve un second réservoir, le réservoir B, quasiment identique au précédent et qui était destiné à être utilisé en cas d’accident ou lors des inspections du réservoir principal. Ces réservoirs sont tous deux en polyester  “PALATAL” renforcé de fibres de verre et doublé de PVDF (téflon) capable de résister à l’acidité de la solution. En outre, de sévères contraintes ont été imposées au moment de leur fabrication quant à leur radioactivité intrinsèque.

    Dans ce bâtiment on trouve également le dispositif expérimental permettant l’extraction du germanium et l’appareillage de chimie nécessaire à sa transformation en GeH4. Ce gaz est ensuite introduit dans un compteur qui est transporté dans le Low Level Building où pourront être observées les désintégrations du 71Ge.

    Le bâtiment de comptage

    Plan des halls expérimentaux du laboratoire souterrain du Gran Sasso. On a indiqué l’emplacement des expériences GALLEX et MACRO en 1990.

    Ce bâtiment appelé Low Level Building abrite le système de comptage et d’acquisition des données. Au rez-de-chaussée on trouve, enfermée dans une cage de Faraday, une chambre de comptage cylindrique isolant les compteurs des influences extérieures et renfermant les compteurs en fonctionnement. Ceux-ci sont protégés par des blindages actifs (cristal NaI cylindrique, scintillateurs plastiques) et passifs (plomb, fer et cuivre à basse radioactivité) des rares muons cosmiques arrivant à cette profondeur. Les données provenant des préamplificateurs associés aux compteurs proportionnels sont transmises à l’étage supérieur par fibre optique. L’acquisition est faite par deux microVax couplés.

    Si les prévisions du modèle standard avaient été vérifiées, 1,2 atome de 71Ge devait être produit chaque jour par les neutrinos solaires. Comme la durée de vie du 71Ge est de 11,43 jours, toutes les trois semaines une quinzaine d’atomes de 71Ge sont alors extraits.

    Le germanium présent dans la solution, que ce soit celui, radioactif, produit par les neutrinos solaires ou les bruits de fond, ou que ce soit celui, naturel,  ajouté en quantité macroscopique (environ 1 mg) à chaque début de période d’exposition aux neutrinos solaires, se lie avec des atomes de chlore du milieu pour former du GeCl4. Ce composé a la particularité d’être extrêmement volatil en milieu acide. Son extraction est donc aisément réalisée en faisant circuler au sein de la solution plusieurs milliers de litres d’azote sec (le composant le plus important de l'air que nous respirons).

    L’azote est ensuite mis en contact avec de l’eau pure dans laquelle se dissout le GeCl4, très soluble en milieu neutre. Puis, le GeCl4 récupéré est transformé en germane (GeH4). Ce gaz est mélangé à du xénon afin d’obtenir un mélange 70% Xe - 30% GeH4 qui possède de bonnes caractéristiques de comptage (résolution en énergie, vitesse de dérive des électrons, rejet du bruit de fond). Le mélange gazeux est introduit dans le compteur proportionnel.

    Photo et schéma du réservoir A et du dispositif d’extraction. On a représenté la source de calibration au chrome utilisée en 1995.

    Compteurs proportionnels miniatures utilisés dans GALLEX (modèle de dernière génération “HD-II”, le cylindre argenté à l'extrémité gauche est la zone de comptage, il mesure 25mm de long pour un volume d'environ 1 cm3)

    Les compteurs proportionnels utilisés sont les descendants de ceux qui ont été construits pour l’expérience chlore. Ils sont en quartz. Leur cathode d’épaisseur 1 μm est obtenue par évaporation de fer ou de silicium sur la partie intérieure du volume de remplissage, tandis que leur anode est un fil de tungstène de 7,5 μm. La désintégration par capture électronique des atomes de 71Ge est signée par un pic K à 10,4 keV et un pic L à 1,2 keV (électrons Auger ou rayons X). Le bruit de fond intrinsèque des compteurs a été réduit de façon remarquable grâce à l’utilisation de matériaux à très basse radioactivité . Chaque signal est repéré par son énergie, l’instant de son apparition et son temps de montée, ce qui constitue un moyen puissant de discrimination des impulsions parasites. Le bruit de fond total ne dépasse pas pour les meilleurs d’entre eux 0,15 coup par jour dans le pic L et 0,02 coup par jour dans le pic K.