Explorer le potassium manquant de la Terre grâce à l’empreinte d’antimatière des géoneutrinos

Pourquoi la chaleur cachée de la Terre compte

L’intérieur de la Terre est assez chaud pour alimenter les volcans, entraîner la tectonique des plaques et maintenir le champ magnétique de la planète, et pourtant les scientifiques ignorent encore précisément d’où provient toute cette chaleur. Une grande partie de l’énigme repose sur de minuscules particules fantomatiques appelées géoneutrinos, libérées lors de la désintégration des éléments radioactifs à l’intérieur de la Terre. Nous avons déjà détecté des géoneutrinos issus de l’uranium et du thorium, mais pas ceux du potassium-40, une forme rare de potassium qui devrait constituer une source majeure de chaleur. Cet article expose comment nous pourrions enfin détecter le signal insaisissable du potassium et, ce faisant, résoudre des mystères de longue date sur la composition et l’histoire thermique de la Terre.

Le cas du potassium disparu

Les modèles de formation de la Terre suggèrent que notre planète devrait contenir beaucoup plus de potassium que ce que montrent les roches de surface. Par rapport aux météorites primitives, la Terre semble manquer entre deux tiers et sept huitièmes du potassium attendu. Une idée est que le potassium a été perdu dans l’espace durant la jeunesse violente de la planète ; une autre est qu’une grande fraction a coulé vers le noyau. Parallèlement, presque tout l’argon-40 de l’atmosphère provient des désintégrations du potassium-40, et les mesures actuelles révèlent également un problème « d’argon manquant ». Parce que les désintégrations du potassium-40 produisent à la fois de la chaleur et des antineutrinos dans un rapport fixe, mesurer directement ses géoneutrinos nous dirait combien de potassium est enfoui profondément dans la Terre, précisant la part de chaleur radiogénique qu’il fournit aujourd’hui et par le passé, et resserrant notre compréhension des éléments volatils de la Terre, y compris l’eau.

Voir les empreintes d’antimatière

Des expériences de neutrinos au Japon et en Italie ont déjà détecté des antineutrinos provenant de l’uranium et du thorium en utilisant un processus appelé diffusion bêta inverse sur l’hydrogène, qui ne fonctionne que pour des particules relativement énergétiques. Les géoneutrinos du potassium-40 sont d’énergie trop faible pour déclencher cette réaction. Les auteurs se concentrent plutôt sur une autre propriété : ces géoneutrinos sont de l’antimatière et, lorsqu’ils interagissent, ils produisent des positrons, les jumeaux d’antimatière des électrons. Un positron laisse une signature distinctive : il ralentit, s’annihile avec un électron et crée deux flashes gamma caractéristiques. Le concept de détecteur LiquidO capture ces détails topologiques en utilisant un scintillateur liquide « opaque » traversé par de nombreuses fibres collectrices de lumière. Dans un tel milieu, la lumière reste proche du point de production, de sorte que le détecteur reconstruit la forme et la chronologie fines de chaque événement, permettant d’identifier les positrons et de rejeter la plupart des bruitages radioactifs ordinaires.

Choisir la bonne cible atomique

Pour attraper les géoneutrinos du potassium-40, l’équipe étudie de nombreux noyaux candidats pouvant subir une désintégration de type bêta inverse à basse énergie, analogue à celle sur l’hydrogène. Ils exigent un seuil de réaction bas, une probabilité d’interaction raisonnablement élevée et une abondance naturelle importante afin d’éviter un enrichissement exotique du détecteur. Le chlore et le cuivre émergent comme les options les plus prometteuses. Le chlore possède de bonnes propriétés nucléaires et peut se dissoudre dans des liquides organiques, mais il souffre d’un défaut fatal : le chlore naturel contient des traces d’un isotope à longue durée de vie, le chlore-36, qui produit des positrons à un taux qui submergerait complètement le faible signal du potassium. En revanche, le cuivre n’a pas d’isotopes émetteurs de positrons à longue durée et son principal produit d’activation, le cuivre-64, est de courte durée de vie et peut être fortement supprimé par un blindage, une opération souterraine et une manipulation soigneuse.

Comment le cuivre et LiquidO travaillent ensemble

Dans la conception proposée, un énorme détecteur LiquidO est chargé avec une grande fraction de cuivre. Lorsqu’un antineutrino du potassium-40 frappe un noyau de cuivre-63, il peut le transformer en nickel-63 tout en émettant un positron. Dans de nombreux cas, le nickel-63 est produit dans un état légèrement excité et, après environ une microseconde, émet un photon gamma de faible énergie en se relaxant. LiquidO peut capturer toute la séquence : d’abord une trace localisée de positron surmontée par deux flashes d’annihilation gamma, puis un dépôt gamma retardé en un point situé à proximité. Cette double signature est extrêmement difficile à imiter pour les processus de fond. Parallèlement, l’hydrogène du scintillateur continue de détecter les géoneutrinos plus abondants d’uranium et de thorium, ainsi que les antineutrinos des réacteurs, en utilisant la bêta inverse standard avec un signal neutronique. Ces mesures à haute statistique permettent aux chercheurs de prédire précisément combien d’événements d’antineutrinos non liés au potassium devraient déborder dans le canal cuivre basse énergie, de sorte que tout excès puisse être attribué au potassium-40.

L’ampleur du défi

Même avec cette stratégie ingénieuse, les géoneutrinos du potassium-40 interagissent extrêmement rarement. Les auteurs estiment que, pour parvenir à une découverte statistiquement solide, un détecteur devrait avoir une masse comparable aux plus grandes expériences de neutrinos prévues — de l’ordre d’une à quelques centaines de milliers de tonnes de liquide scintillant, le cuivre représentant jusqu’à la moitié de la masse totale. Sur dix ans de fonctionnement, un tel instrument ne recueillerait que quelques événements de potassium par an, mais suffisamment pour atteindre une signification de 3 à 5 sigma tout en mesurant les géoneutrinos d’uranium et de thorium avec une précision remarquable. Construire et exploiter un détecteur de cette envergure, avec une forte concentration de cuivre et une lecture à fibres dense, exigera des progrès majeurs en chimie des scintillateurs, en ingénierie mécanique et en optimisation des coûts ; les auteurs envisagent donc un programme par étapes commençant par de plus petits prototypes près de réacteurs nucléaires pour tester les idées de base et calibrer le taux d’interaction du cuivre.

Ce que nous apprenons sur notre planète

Si les géoneutrinos du potassium-40 peuvent être observés de cette manière, ils fourniraient une mesure directe de la quantité de potassium cachée dans la Terre et de sa contribution à la chaleur interne de la planète. Cela permettrait d’affiner les estimations de la vitesse de refroidissement passé de la Terre, de déterminer quelle part du flux de chaleur actuel est radiogénique versus primordiale, et d’évaluer dans quelle mesure la composition globale de la Terre correspond aux différents modèles basés sur les météorites. Combinées aux données précises sur les géoneutrinos d’uranium et de thorium, les mesures du potassium resserreraient les contraintes sur les rapports d’éléments clés, aidant à résoudre les problèmes du « potassium manquant » et de « l’argon manquant » et améliorant notre compréhension des éléments volatils lors de la formation planétaire. En bref, capter ces faibles chuchotements d’antimatière sous nos pieds pourrait réécrire l’histoire de la formation, de l’évolution et de la vitalité géologique de la Terre.

Citation: LiquidO Collaboration. Probing Earth’s missing potassium using the antimatter signature of geoneutrinos. Commun Phys 9, 95 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02518-6

Mots-clés: géoneutrinos, chaleur interne de la Terre, potassium radioactif, détecteurs de neutrinos, formation planétaire