Comment XENONnT a détecté les neutrinos solaires les moins énergétiques jamais observés

Conçu avant tout pour rechercher les WIMPs — des particules massives interagissant faiblement, candidates à la matière noire — XENONnT est devenu un observatoire du Soleil presque par accident. Lors d’un séminaire organisé aux Laboratori Nazionali del Gran Sasso, en Italie, la collaboration XENON a annoncé la première observation de neutrinos solaires de basse énergie diffusés par des électrons dans le détecteur. La mesure repousse la frontière de l’observation directe des neutrinos jusqu’à environ 17 keV, le seuil énergétique le plus bas jamais rapporté pour ce type de mesure. Le signal est dominé par les neutrinos pp. 22

Le principe : un neutrino provoque une infime secousse

Les neutrinos interagissent si rarement avec la matière qu’ils traversent généralement la Terre sans être arrêtés. Mais, à l’occasion, un neutrino solaire peut entrer en collision élastique avec un électron dans le xénon liquide. L’électron reçoit alors une petite quantité d’énergie et produit deux signaux distincts :

• un éclair de scintillation immédiat dans le xénon liquide ;
• un second signal d’électroluminescence, lorsque les électrons libérés sont extraits vers la phase gazeuse.

La combinaison de ces signaux permet de reconstruire l’énergie et la position de chaque événement. Les chercheurs ne cherchent donc pas nécessairement la signature isolée d’un neutrino : ils recherchent la forme statistique attendue d’un grand nombre de reculs électroniques, puis la comparent aux différents bruits de fond radioactifs et instrumentaux.

Le seuil d’environ 17 keV correspond à l’énergie des neutrinos rendus accessibles par l’analyse. Il ne signifie pas que chaque électron reçoit directement 17 keV. Selon l’annonce disponible, le résultat constitue une première observation de neutrinos solaires de basse énergie, avec un signal principalement dû aux neutrinos pp. 22

Les neutrinos pp, messagers directs de la fusion solaire

Les neutrinos pp sont produits lors de la première étape de la chaîne de fusion proton-proton au cœur du Soleil :

[
p+p\rightarrow d+e^++\nu_e
]

Cette réaction amorce le processus par lequel l’hydrogène est progressivement transformé en hélium. Comme la chaîne proton-proton fournit l’essentiel de l’énergie du Soleil, les neutrinos pp sont des messagers directs des réactions qui alimentent notre étoile.

Ils sont particulièrement précieux pour cette raison. La lumière met longtemps à parvenir du cœur du Soleil à sa surface, tandis que les neutrinos s’échappent presque immédiatement de la région où ils sont produits. Mesurer leur composante pp permet donc de sonder plus directement la fusion qui fait briller le Soleil.

Pourquoi XENONnT a pu isoler un signal aussi faible

Au centre de XENONnT se trouve une chambre à projection temporelle à deux phases, contenant une cible active de 5,9 tonnes de xénon liquide. Cette masse importante augmente la probabilité d’interactions extrêmement rares. La mesure conjointe de la scintillation et de l’ionisation fournit, elle, des informations sur l’énergie et la position des événements. 5

Le principal défi n’est toutefois pas seulement la rareté des neutrinos : c’est aussi le bruit de fond. Le radon et ses produits de désintégration peuvent produire des reculs électroniques ressemblant à ceux provoqués par les neutrinos. La collaboration a donc mis au point un système de distillation cryogénique en ligne, qui retire en continu le radon du xénon.

Dans la cible active, l’activité du (^{222}\mathrm{Rn}) a été abaissée à environ (0,90\ \mu\mathrm{Bq/kg}). À ce niveau, le bruit de fond dû au radon devient comparable au bruit de fond inévitable produit par les neutrinos solaires. 1819

L’installation, située à grande profondeur sous le massif du Gran Sasso, réduit également les événements provoqués par les rayons cosmiques. Les chercheurs peuvent ainsi ajuster statistiquement le spectre observé au lieu de voir le faible signal solaire noyé dans une multitude d’événements parasites. 22

Un nouveau canal après les neutrinos du bore 8

Le résultat annoncé en 2026 repose sur un canal d’interaction différent de celui étudié par XENONnT en 2024. Lors de cette première analyse, le détecteur avait recherché des neutrinos du (^{8}\mathrm{B}) grâce à la diffusion élastique cohérente neutrino-noyau, ou CEνNS. Le neutrino y transmet son impulsion au noyau d’un atome de xénon, produisant un recul nucléaire. L’analyse avait abouti à une indication de 2,73 σ — et non à une découverte au seuil de 5 σ. 23

La nouvelle mesure s’appuie au contraire sur la diffusion neutrino-électron. Les deux analyses montrent que le même instrument peut enregistrer plusieurs signatures des neutrinos solaires :

• des reculs électroniques, issus des collisions avec les électrons et dominés ici par les neutrinos pp de basse énergie ;
• des reculs nucléaires, produits par la CEνNS, comme dans l’indication associée aux neutrinos du bore 8.

Cette distinction est importante : chaque canal donne accès à une région différente du spectre énergétique et à une facette différente de la physique solaire.

Le « brouillard de neutrinos », nouvel obstacle pour la matière noire

Pour les expériences de détection directe de matière noire, les neutrinos solaires sont à la fois une source d’information et une nuisance. Ils constituent un signal physique réel, mais leurs reculs peuvent imiter ceux attendus de WIMPs. Un blindage classique ne suffit pas à les éliminer, car les neutrinos traversent la matière presque sans interagir.

Ce bruit de fond inévitable est souvent appelé le « brouillard de neutrinos ». L’expression ne désigne pas une limite absolument infranchissable : la forme du spectre, la comparaison entre plusieurs matériaux cibles, la mesure de la direction des événements et une meilleure connaissance des flux solaires peuvent encore aider à distinguer statistiquement un signal de matière noire. Mais, à mesure que la sensibilité progresse, les gains deviennent plus difficiles et les incertitudes systématiques prennent davantage d’importance.

L’indication de CEνNS obtenue par XENONnT constitue l’un des premiers exemples directs de ce bruit de fond nucléaire dans un détecteur conçu pour la matière noire. 12

XLZD : dix fois plus de xénon pour aller plus loin

XLZD est conçu comme un observatoire de nouvelle génération utilisant le xénon liquide. Sa cible active devrait contenir environ 60 tonnes, avec la possibilité d’atteindre 80 tonnes. Cela représente environ un ordre de grandeur de plus de xénon actif que dans XENONnT et augmenterait l’exposition disponible pour les recherches de WIMPs comme pour les mesures de neutrinos. 3235

Une masse supérieure ne produira pas seulement davantage d’événements. Elle pourrait permettre de mesurer avec plus de précision le flux et le spectre des neutrinos pp, ainsi que la probabilité de survie des neutrinos électroniques lors de leur trajet du Soleil à la Terre. XLZD est également conçu pour explorer la région où les interactions des WIMPs commencent à se confondre avec le « brouillard de neutrinos ». 3239

Le principal enseignement de XENONnT est clair : la recherche de matière noire et l’astronomie des neutrinos solaires ne sont plus deux domaines séparés. La même pureté extrême, le même faible niveau de bruit et la même technologie nécessaires pour traquer un événement de WIMP peuvent aussi révéler les traces presque invisibles de la fusion au cœur du Soleil.