Géoneutrino

Géoneutrino

Diagramme de Feynman : neutron n se désintégrant en proton p, électron e⁻, antineutrino électronique ${\displaystyle ~{\overline {\nu }}_{e}}$ via le boson W^–

Propriétés générales

Classification	Leptons

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Un géoneutrino est un antineutrino électronique produit à l’intérieur de la Terre par la radioactivité β d'isotopes radioactifs (essentiellement ⁴⁰K, ²³²Th, ²³⁵U et ²³⁸U).

La géophysique des neutrinos permet aux géologues de déterminer l'abondance de l'uranium, du thorium et du potassium grâce à des détecteurs d'antineutrinos électroniques, la désintégration de ces radionucléides dans le manteau et la croûte terrestre étant à l'origine de 90 %^[1] du flux de chaleur de la Terre^[2],[3].

L'observation de ce flux d’antineutrinos réfute la théorie du géo-réacteur (en) de J. Marvin Herndon (en)^[4].

Origine

Les géoneutrinos sont produits à l'intérieur de la Terre par les réactions nucléaires suivantes^[a],[5]:

• ²³⁸U → ²⁰⁶Pb + 8α + 8e⁻ + 6${\displaystyle {\displaystyle {\overline {\nu _{e}}}}}$ + 51,7 MeV
• ²³⁵U → ²⁰⁷Pb + 7α + 4e⁻ + 4${\displaystyle {\displaystyle {\overline {\nu _{e}}}}}$ + 46,4 MeV
• ²³²Th → ²⁰⁸Pb + 6α + 4e⁻ + 4${\displaystyle {\displaystyle {\overline {\nu _{e}}}}}$ + 42,7 MeV
• ⁴⁰K → ⁴⁰Ca + e⁻ + ${\displaystyle {\displaystyle {\overline {\nu _{e}}}}}$ + 1,31 MeV^[b]
• ⁴⁰K + e⁻ → ⁴⁰Ar + e⁻ + ${\displaystyle {\displaystyle {\overline {\nu _{e}}}}}$ + 1,505 MeV^[b]

Observation

Avec les moyens expérimentaux disponibles en 2020, seuls les géoneutrinos issus de l'uranium 238 et du thorium 232 sont détectables^[5], ceux issus du potassium 40 pourraient l'être dans un avenir proche^[5]. L'expérience Borexino (en) a observé une cinquantaine de géoneutrinos entre décembre 2007 et avril 2019^[5].

Applications

Évolution de la puissance thermique radiogénique au cours du temps dans les couches internes de la Terre.

Les connaissances dont on dispose concernant les couches internes de la Terre viennent essentiellement de l'étude des ondes sismiques. L'étude des géoneutrinos offre une autre fenêtre d'observation pour ces zones inaccessibles^[5]. L'expérience Borexino a ainsi pu établir que la puissance fournie par la désintégration des isotopes radioactifs à l'intérieur de la Terre est de ${\displaystyle 38,2_{-12,7}^{+13,6}}$ TW, valeur compatible avec celle obtenue par d'autres méthodes^[5]. Les géoneutrinos permettent aussi d'estimer l'abondance dans le manteau terrestre du thorium (au moins 48 ppb) et de l'uranium (au moins 13 ppb)^[5],[6].

Notes et références

Notes

1. Les réactions nucléaires sont l'agrégation des différentes réactions nucléaires des chaînes de désintégration de l'uranium 238, de l'uranium 235 et du thorium 232.
2. La transmutation du potassium 40 en calcium 40 par radioactivité β se produit dans 89 % des cas, et en argon 40 par capture électronique dans 11 % des cas.

Références

1. L'autre origine étant la chaleur latente libérée par la cristallisation lente de l’alliage fer-nickel dans la partie liquide du noyau.
2. « La géophysique des neutrinos est née », Pour la Science, n^o octobre 336,‎ 2005, p. 25
3. William McDonough, John Learned et Stephen Dye, « Des neutrinos pour sonder l'intérieur de la Terre », Pour la Science, n^o 418,‎ août 2012, p. 25
4. Laurent Sacco, « Les géoneutrinos : une nouvelle fenêtre sur l'intérieur de la Terre ! », sur Futura-Sciences, 15 mars 2010
5. (en) Collaboration Borexino (en), « Comprehensive geoneutrino analysis with Borexino », Physical Review D, vol. 101,‎ 21 janvier 2020 (lire en ligne), article en accès libre.
6. (en) S. Abe, S. Asami, M. Eizuka, S. Futagi, A. Gando et al., « Abundances of Uranium and Thorium Elements in Earth Estimated by Geoneutrino Spectroscopy », Geophysical Research Letters, vol. 49, n^o 16,‎ 28 août 2022, article n^o e2022GL099566 (DOI 10.1029/2022GL099566 ).