Les géoneutrinos, une clé pour comprendre la machine thermique Terre

Volcans et dérive des continents sont les manifestations les plus évidentes de la machine thermique qu’est la Terre, alimentée par ses réserves de chaleur dont une partie provient de la désintégration d’isotopes radioactifs. Aujourd’hui détectable, le flux de « géoneutrinos » issus de ces réactions nous éclaire sur l’origine et le fonctionnement de la machine qui fait de la Terre une planète vivante.

Le naturaliste français Buffon a probablement été le premier à mener une étude scientifique sur l’histoire thermique de la Terre et l’origine de sa chaleur. Mais ce n’est qu’avec la découverte de la radioactivité que les physiciens ont commencé à comprendre la machine thermique qu’est notre Planète. Elle leur a permis, au début du XXe siècle, d’expliquer le flux de chaleur issu de l’intérieur de la Terre par la désintégration des éléments radioactifs présents dans les roches. L’énergie libérée permettait aussi de mieux comprendre l’origine des courants de convection brassant le manteau de la Terre et à l’origine de la dérive des continents.

Par la suite, il est devenu clair que la formation de la Terre par accrétion devait aussi avoir doté notre Planète d’un stock de chaleur conséquent. Le matériau chondritique originel a apporté de l’énergie gravitationnelle et pas seulement certains isotopes radioactifs. Parmi eux, les plus efficaces pour contribuer à la convection dans le manteau doivent être des noyaux de potassium (K), d’uranium (U) et de thorium (Th).

Dans ce scénario, certaines questions demeurent cependant sans réponse. Les incertitudes sur le flux de chaleur de la Terre et la quantité d’éléments radioactifs qu’elle contient sont telles que l’on ne sait pas précisément quelle est la part de la chaleur interne du globe qui est un résidu du processus d’accrétion gravitationnel. Enfin, des considérations de géochimie indiquent que l’essentiel des noyaux radioactifs (K, U et Th) doit se trouver concentré dans la croûte. Ce sont en effet des éléments dits lithophiles et il était donc logique de les retrouver dans la croûte suite à la différentiation de la Terre peu après sa formation à partir d’un matériau chondritique. Or, les mesures indiquent que le compte n’y est pas, ce qui conduit à penser que du potassium, du thorium et de l’uranium devraient se trouver dans le manteau.

Détecteur Borexino

Une vue de l’intérieur du détecteur Borexino lors de travaux. Il permet d’étudier les neutrinos solaires ainsi que les géoneutrinos. (Source : INFN/Gran Sasso)

Afin d’y voir plus clair, il faudrait pouvoir déterminer exactement quelles quantités de chaleur sont produites dans la croûte et dans le manteau par radioactivité. Mais comment s’y prendre ?

Les progrès de l’astrophysique et de la physique des particules depuis quelques décennies commencent à apporter des réponses. Ce qui n’est au fond pas surprenant car la Terre est aussi un astre. De ce point de vue, la géophysique est une branche de l’astrophysique. Or, les noyaux de potassium, thorium et uranium se désintègrent en émettant des antineutrinos électroniques.

Même si leur énergie est faible en comparaison de ceux produits par les explosions de supernovæ ou le cœur du Soleil, ces particules sont très pénétrantes et traversent des milliers de kilomètres de roches sans être arrêtées. Elles peuvent donc être étudiées en utilisant des détecteurs initialement dédiés à l’astronomie des neutrinos ou de la physique des particules. En particulier, KamLand (Kamioka Liquid scintillator Anti-Neutrino Detector) et Borexino, construits pour étudier les neutrinos solaires, sont précisément conçus pour étudier des flux de neutrinos de basses énergies.

Déjà en 2010, des physiciens partis à la chasse des « géoneutrinos » en avaient détecté quelques-uns. La tâche n’est pas simple car des antineutrinos similaires sont produits aussi par les réacteurs nucléaires. C’est avec le détecteur Borexino enterré sous le Gran Sasso en Italie que cette chasse a été menée de 2007 à 2015. Les tout derniers résultats ont été exposés dans un article déposé sur arxiv.

Depuis 2007, parmi les antineutrinos détectés, 24 sont d’authentiques géoneutrinos. Ils proviennent de la désintégration de noyaux d’uranium 238 et de thorium 232. Les mesures et les estimations déjà faites et annoncées en 2010 ont non seulement été consolidées mais il est possible aujourd’hui de dire qu’au moins la moitié de ces géoneutrinos proviennent du manteau et pas de la croûte.

Selon les chercheurs, ces résultats ne sont qu’un début. On commence tout juste à faire la différence entre les géoneutrinos provenant de l’uranium 238 et ceux issus du thorium 232. La géophysique des neutrinos devrait progresser dans l’avenir jusqu’à permettre de dire avec précision où se trouvent concentrés les isotopes radioactifs principaux faisant fonctionner la machine thermique Terre et de départager nettement leurs contributions respectives. En retour, la cosmogonie et l’histoire de notre Planète seront mieux connues. On constate déjà un bon accord avec les prédictions des quantités d’isotopes radioactifs apportés par les petits corps célestes de nature chondritique à l’origine de la Terre.

Source : Futura-Sciences

Vous pouvez consulter, sur le site d’Archipel des Sciences, l’exposition « La machine Terre« .

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