Double-Chooz
Recherche de la 'troisième oscillation de neutrinos'

Implantation de l'expérience Double Chooz sur le site de la centrale nucléaire des Ardennes.

Les oscillations de neutrinos


Les neutrinos sont des particules élémentaires neutres, dont il existe trois sortes. En raison de leurs faibles interactions, la matière leur est pratiquement transparente et de grands détecteurs sont nécessaires pour les observer. Une de leurs particularités est qu’ils peuvent « osciller » en vol, d’une espèce vers une autre. Ces oscillations sont décrites par trois « angles de mélange », dont deux sont grands et ont déjà été mesurés. Le troisième paramètre (appelé ‘thêta un-trois’) est petit, compatible avec zéro, et sa meilleure estimation provient d’une expérience réalisée à Chooz, il y a une dizaine d’année. Le nouveau détecteur Double Chooz est le premier d’une nouvelle génération d’expériences qui cherchent à mesurer ce paramètre fondamental.


L’expérience Double Chooz

 

En 2003 Le CEA/Irfu et le CNRS/IN2P3 ont  lancer projet Double Chooz. Les deux instituts ont décidé de lancer en septembre 2006 la construction de l’expérience destinée à étudier les neutrinos, ces particules élémentaires produites en abondance dans les étoiles, l’atmosphère, et les coeurs des centrales nucléaires.

 

L’expérience Double Chooz comportera deux détecteurs identiques. Le premier d’entre eux, situé à une distance d’environ 1 km des réacteurs, a été construit entre 2008 et 2011 sous la coordination technique de l’Irfu. Il est actuellement en prise de données depuis le mois d’avril 2011. Un deuxième détecteur sera situé dans une cavité en creusement sur le site de la centrale de Chooz, à 400 m des cœurs.

 

 

Ces deux détecteurs utilisent des scintillateurs liquides spécialement mis au point pour cette expérience. La cible au centre du détecteur contient 10 m3 de scintillateur dopé au gadolinium pour identifier la capture des neutrons directement créés par l’interaction des neutrinos venant des réacteurs nucléaires (ce sont en fait des antineutrinos) La cible est observée par 390 photomultiplicateurs immergés qui traduisent les interactions en signaux électroniques.

 

 

Localisation: Centre National de Production d'éléctricité de CHOOZ (Ardennes)

 

 

Site Web : www.doublechooz.org 

 

Responsabilités scientifiques:


Coordination de l'analyse de données 'détecteur' (Thierry Lasserre)

 

Co-Coordination de l'analyse des données 'réacteur' (D. Lhuillier, M. Fallot - IN2P3)

 

Responsabilités techniques


Coordination technique de l'expérience (Ch. Veyssière)


 

L'expérience a été initiée à l'Irfu. Dans ce cadre, suite aux conclusions du CSTS datées du 10/03/2004, il est proposé à l'Irfu de prendre à sa charge une partie importante de la structure mécanique des deux détecteurs. Ses responsabilités se déclinent en lots de tâches.


  • LOT 1 : Coordination technique de l'ensemble du projet
  • LOT 2 : Etude, développement, réalisation et intégration sur site des enceintes Cible, Gamma Catcher et Buffer des détecteurs de l’expérience Double Chooz
  • LOT 3 : Etudes, développement, réalisation, mise en œuvre du système de mesure de masse de liquide cible contenue dans les détecteurs 
  • LOT 4 : Mise en œuvre et tests de compatibilité des matériaux (pour qualification et acceptance dans le détecteur) avec les liquides utilisés
  • LOT 5 : Mise en place et coordination des salles blanches des laboratoires neutrinos
  • LOT 6 : Rédaction des dossiers à fournir aux autorités de sureté nucléaires et préféctorales (ICPE, sources d'étalonnage, environnement)
  • LOT 7 : Etudes, développement, réalisation, mise en œuvre de l'ensemble des cheminées permettant de remplir et d'étalonner les détecteurs
  • LOT 8 : Etudes, développement, réalisation, mise en œuvre du système de déploiement de sources d'étalonnage dans la zone 'Buffer' du détecteur
  • LOT 9 : Mise en place et réalisation des tests de compatibilité de matériaux entre les 4 différents liquides et les éléments mécaniques des détecteurs
  • LOT 10 : Mise en place et réalisation d'une installation de comptage basse radioactivité pour la séléction des matériaux des détecteurs

A ces lots l'Irfu il faut ajouter un lot d'assistance à maitrise d’ouvrage en génie civil pour l’étude et la réalisation du laboratoire proche en cours d'excavation.

 

 

Contacts:

 

Thierry Lasserre

Christian Veyssière

 

 

 

 

 

 

maj : 15-01-2012 (424)

A proposed search for a fourth neutrino with a PBq antineutrino source

The New Idea: Physical Review Letters : PRL 107, 201801 (2011)

 

Authors:

 

Michel Cribier, Maximilien Fechner, Thierry Lasserre, Alain Letourneau, David Lhuillier, Guillaume Mention, Davide Franco, Vasily Kornoukhov, Stefan Schoenert

 

Corresponding author : Thierry Lasserre (thierry.lasserre@cea.fr)

 

Abstract:

 

Several observed anomalies in neutrino oscillation data can be explained by a hypothetical fourth neutrino separated from the three standard neutrinos by a squared mass difference of a few eV2. This is becoming one of the most important topics to be addressed in neutrino physics. In particular the reactor neutrino and the gallium anomalies can be tested with a PBq (ten kilocurie scale) 144Ce antineutrino beta-source deployed at the center of a large low background liquid scintillator detector, such like Borexino, KamLAND, and SNO+. The compact size of such a source could yield an energy-dependent oscillating pattern in event spatial distribution that would unambiguously determine neutrino mass differences and mixing angles. The proposed program aims to perform the necessary research and developments to produce and deploy an intense antineutrino source in a large liquid scintillator detector. 

 

Publication:

 

preprint: arXiv:1107.2335

 

Physical Review Letters : PRL 107, 201801 (2011)

 

Talks & Seminars:

 

Outreach:

 

 

 

Article in PhysOrg.com :  Physicists propose search for fourth neutrino

 

 

 

144Ce-144Pr antineutrino source and its shielding deployed at the center of a large liquid scintillator detector.

The Project:

an Antienutrino Source  (15 g of 144Ce) at the center of a large liquid scintillator detector

 

A sterile neutrino, by definition, is not able to induce an interaction allowing its direct detection. Nevertheless theory predicts oscillation between the three ordinary neutrinos and the sterile one. Thus the experimental signature of a sterile neutrino consists in the observation of interactions of the ordinary neutrinos with a modulation in energy and/or distance controlled by the mixing and masses of the fourth neutrino. The mass (eVscale) and coupling of the sterile neutrino able to explain the reactor antineutrino anomaly is such than interactions of neutrino/antineutrino of typical energy of 1-2 MeV would induce a spatial modulation of several per cent over few meters. Hence if an intense source of neutrino is placed at the center of a spherical liquid scintillator detector (see Figure 1), the radial distribution of the interaction vertex will deviate from a flat distribution with a sinusoidal modulation (see Figure 2 left). The spatial period is inversely proportional to the mass of the sterile neutrino whereas the amplitude is a function of the coupling between the fourth and the usual electron neutrino.

 

Two main options are possible: an intense neutrino source, like those used in solar neutrino experiments (Gallex and Sage), or an antineutrino source. In the first case, interaction in a liquid scintillator detector is only by scattering on electron and thus very similar to any Compton scattering induced by gammas. This background prevents the efficient use of a neutrino source. On the other hand starting with antineutrinos the detection is via the inverse beta decay where an antineutrino interacts with a proton and produces a positron and a neutron. This selective reaction allows an efficient rejection of the background, but only antineutrinos above 1.8 MeV are able to induce this reaction.
 

Starting from the characteristics of the potential existing liquid scintillator detectors and using the interaction cross-section, it is possible to estimate the required activity of the antineutrino source: a 1.85 PBq (50 kCi) is needed to produce 40 000 interactions in a year, leading to a negligible statistical error. The suitable antineutrino source must have energy above 1.8 MeV and a lifetime long enough to allow the production, transport and measurement. For individual nuclei, these requirements are contradictory so we searched for candidate sources involving a long-lived nucleus that decays to a short-lived but energetic nucleus. Among the 3-4 potential candidates that we identified, the pair 144Ce-144Pr seems the most promising thanks to its abundant presence in the fission products of 235U (5%) and 239Pu (3%) and to the relatively easy technique to isolate it. In particular these techniques of hot chemistry are understood and available in Russia, France, and Germany. 144Ce decays in 144Pr with a suitable long half-life of 285 days, and 144Pr emits quickly (17 min.) an energetic antineutrino whose spectrum extend up to 3 MeV. To reach the required activity only 14 g of 144Ce are needed but it seems unavoidable to have it mixed with other Cerium isotopes (≈1.5 kg). For radioprotection and to reduce unwanted backgrounds this Cerium is encapsulated in a ≈30 cm radius shield composed mainly of tungsten.

 

An international collaboration must be organized in order prepare the deployment the intense antineutrino source at the center of an existing detector like, Borexino, KamLAND, SNO+, or LENA.

 

maj : 20-09-2012 (3139)

The Reactor Antineutrino Anomaly

Illustration of the short baseline reactor antineutrino anomaly. The experimental results are compared to the prediction without oscillation (ratio = 1). Published experimental errors and antineutrino spectra errors are added in quadrature. The mean averaged ratio including correlations is 0.943 ± 0.023. The red line shows a possible 3 active neutrino mixing solution, with sin2(2θ13) = 0.15. The blue line displays a solution including a new neutrino mass state, such as |∆m2new| = 2 eV2, sin2(2θ13) = 0.085, and sin2(2θnew,R) = 0.12. The lines are not a fit to the data, but just added for illustration purpose.

 

The Reactor Antineutrino Anomaly

 

Recently new reactor antineutrino spectra have been provided for 235U, 239Pu, 241Pu and 238U, increasing the mean flux by about 3 percent. To good approximation, this reevaluation applies to all reactor neutrino experiments. The synthesis of published experiments at reactor-detector distances 1.5 eV^2 (95%) and sin^2(2theta_{new})=0.17(0.08) (95%). Constraints on the theta13 neutrino mixing angle are revised.

 

Reference: 

 

Authors:

      * Corresponding author: Thierry Lasserre (thierry.lasserre@cea.fr)

 

Institution:  

 

Talks & Seminars:

 

 

 

Citations:

 

Most of the references can be found at: SPIRES, SLAC, Stanford record

 
 

Experimental tests of the Reactor Antineutrino Anomaly:

 
 
 

White Paper on Sterile Neutrinos 

 

This white paper builds upon the Sterile Neutrinos at the Crossroads Workshop held at Virginia Tech, Septermber 26-28, 2011. The workshop was designed to examine the evidence for and against light sterile neutrinos coming from all areas of physics (particle, nuclear, astrophysics and cosmology) and to explore possible new experiments that could be mounted to resolve the issue. At the conclusion of the workshop the concensus view of the participants was that a white paper should be written to layout the theory, review the experimental and observational data and summarize proposals for possible future experiments relevant to the light sterile neutrino.

 

Outline and Section Editors 

(Editors: Patrick Huber, Virginia Tech and Jon Link, Virginia Tech)

  1. Theory and Motivation
    (Section Editors: Gabriela Barenboim, Valencia and Werner Rodejohann, MPI Heidelberg)
  2. Astrophysical Evidence
    (Section Editors: Kev Abazajian, UC Irvine and Yvonne Wong, Aachen)
  3. Evidence from Oscillation Experiments
    (Section Editors: Joachim Kopp, FNAL and Bill Louis, LANL)
  4. Global Picture
    (Section Editors: Thierry Lasserre, CEA Saclay and Thomas Schwetz, MPI Heidelberg)
  5. Requirements for Future Measurements
    (Section Editors: Bonnie Fleming, Yale and Joe Formaggio, MIT)
  6. Appendix: Possible Future Experiments
    (Section Editors: Patrick Huber, Virginia Tech and Jon Link, Virginia Tech

Published as : arXiv:1204.5379

 

articleScienceetVie_neutrino_la_particule_01062012.pdf

 

maj : 03-04-2014 (3045)

Moyens expérimentaux

Moyens d'investigation


Un détecteur de Double-Chooz est constitué de volumes concentriques imbriqués les uns dans les autres à la manière des  "poupées russes". chaque région est remplie de liquides de densité similaire mais de propriétés optiques différentes. Les cœurs des deux détecteurs doivent être identiques.

• Le détecteur « proche » est situé à 400 m des cœurs des réacteurs et sous l’équivalent de 45 mètres de roche. Un tunnel de 200 m environ et un nouveau laboratoire neutrino sont à l'étude en collaboration avec EDF.


• Le détecteur « lointain » est situé à 1,05 km des coeurs des réacteurs (en moyenne) et offre la possibilité de réutiliser le laboratoire existant pour accueillir la nouvelle expérience. La taille du hall du laboratoire et de la cuve déjà existante (7 mètres de diamètre et 7 mètres de hauteur) contraint la taille du nouveau détecteur.


 L’architecture préliminaire d’un détecteur est la suivante :


Région I : volume fiduciel (Target ) est composé de :

Un volume de 10,3 m3 de liquide scintillant dopé au gadolinium (0,1% de Gd) sont contenu dansne enceinte cylindrique en acrylique étanche mais transparente aux photons visibles; cette enceinte constitue le cœur du détecteur car c'est là que les neutrinos qui interagissent sont comptabilisés. u
Un système de calibration qui permet le déploiement de sources pour mesurer la fonction de réponse du détecteur (en fonction de l’énergie et de la position du dépôt d’énergie) 
Calibration :
Une calibration hebdomadaire sera faite au moyen d’une ligne de pécheur pour déployer des sources selon l’axe verticale du détecteur.
Une calibration exceptionnelle sera réalisée quelquefois par an à l’aide d’un bras articulé permettant d’évaluer la réponse du détecteur en tout point de la cible. Ce système sera très important pour la comparaison des deux détecteurs. Il n’est pas nécessaire pour la phase de

Double Chooz avec le détecteur lointain uniquement. 


Région II : volume calorimètre à positron (ou Gamma Catcher) :

Un volume de 22,6 m3 utilisé principalement comme calorimètre. Ainsi, l’ensemble du spectre en énergie des antineutrinos pourra être mesuré (y compris les neutrinos interagissant au bord de la cible qui seraient mal mesuré en l'absence de cette zone scintillante additionnelle). On ne met pas de Gadolinium pour discriminer les interactions de neutrinos dans cette région.

Le Gamma Catcher est composé de :

- Une épaisseur de 55 cm de liquide scintillant enrobant la région I, contenue dans
- Une enceinte acrylique cylindrique étanche mais transparente aux photons visibles.
- Calibration
- Un système de calibration tubulairegCatcher. Il n’y aura sans doute qu’un tube inox. à l’étude afin de faire circuler des sources radioactives dans le

Région III : le Buffer

Il protège la cible et le Gamma Cacther de la radioactivité résiduelle des tubes photomultiplicateurs et des matériaux extérieurs au Buffer.

Il est composé de
- Une épaisseur de 105 cm d'huile non scintillante contenue dans
- Une enceinte rigide de 114 m3 en acier inoxydable basse radioactivité, étanche, opaque qui servira aussi de maintient à la structure porteuse des tubes photomultiplicateurs.
- 390 tubes photomultiplicateurs 8’’, couvrant une surface efficace de ~13%. 

- Calibration
- Un système de calibration tubulaire accroché à 5 cm à l’extérieur de l’enceinte acrylique GC afin de calibrer le GC avec des sources gamma.

Région IV : veto de muons interne (Inner Muon VETO)

Son but est de détecter les muons qui traversent le détecteur, particulièrement la cible et le GC, ainsi que les muons qui s’arrêtent dans le détecteur. On éliminera off-line les évènements associés (dans une fenêtre temporelle de quelques centaines de micro secondes de part et d'autre); cela permettra aussi de signer les bruits de fonds.

Cette fonction sera assurée par
- Une épaisseur de 50 cm d’huile minérale faiblement scintillante contenue dansune enceinte étanchevue par ~ 70 tubes photomultiplicateurs 8¨

Région V: Blindage contre la radioactivité des roches environnantes (Steel shielding)
Ce blindage est composé de deux élément :
- 15 cm de fer basse radioactivité pour protéger l’intérieur du détecteur de la radioactivité des roches qui entourent le puits. Ce blindage peut prendre une forme différente pour le détecteur proche puisque la taille du puits qu’il faudra construire n’est pas encore figée (une épaisseur plus importante de sable par exemple)
- Ce blindage est recouvert par une cuve de 1 cm de fer basse radioactivité. Cette enceinte garantie l’étanchéité du détecteur.

Région VI : Veto de muons externe (Outer Veto)

Cet élément de détecteur permet d’augmenter la réjection des bruits de fond induits par les muons. Il permettra de corréler les bruits de

fond induits par les neutrons dans le cœur du détecteur aux gerbes de muons qui passent dans la roche à coté des zones instrumentées, en générant des neutrons rapides qui peuvent pénétrer dans la zone sensible. Il sera essentiellement constitué de barreau de scintillateur plastique, sur 2 voire 4 couches, lues d’un seul où des deux extrémités par des tubes photomultiplicateur. Ces différentes variantes seront précisées en fonction du financement. Les architectures de l’Outer Veto du détecteur lointain et du détecteur proche seront différentes. Dans tous les cas la surface de couverture de ce veto restera constante.

Site lointain : un ‘lower Outer Veto’ extérieur composé de 2 panneaux (6,4m X 6,4m) à la surface du détecteur sous la Glove Box+ un ‘Upper outer Veto’ composé d’un panneau au dessus de la Glove Box.

Site proche : un ‘lower outer veto ‘ composé de 4 panneaux (6,4m X 6,4m) + un ‘upper Outer Veto’ composé d’un panneau.

 

Vue en coupe du détecteur Double Chooz

Vue de l'artiste du détecteur Double Chooz dans le laboratoire à 1 km des coeurs de la centrale nucléaire de Chooz

maj : 19-11-2011 (1523)

Collaborations

Collaboration Double Chooz

 
 

maj : 19-11-2011 (1520)

Vie de l'expérience

Laboratoire Neutrino du site lointain situé à 1,05 km des coeurs de la centrale de Chooz-B

Historique et principaux jalons

 

Fin 2002 : Lancement de l'effort de mesure de theta-13 par une nouvelle expérience près d'un réacteur par les physiciens du DAPNIA

Septembre 2003 : choix du site de Chooz

Mars 2004 : Approbation scientifique du CSTS/SPP et de l'IN2P3

Mai 2004 : Publication de la lettre d'intention 

Juin 2006 : Publication du proposal

2007 : Publication du TDR

Pour la suite de l'expérience, le planning envisagé est le suivant :

Mars 2008 : Début de l'intégration du détecteur lointain

2008 : Début de construction du laboratoire proche

Avril 2009 : Premier neutrino vu par le détecteur lointain

Fin 2009 : Livraison du laboratoire neutrino du site proche

Fin 2010 : Premier neutrino vu par le détecteur proche

 

maj : 13-06-2007 (1525)

Non prolifération

Lien entre Double Chooz et la non proliferation

La détection des antineutrinos utilise la réaction anti-neutrino_e + p --> e+ + n. Le ralentissement du positron, puis son annihilation, suivie quelques dizaines de µsec plus tard du signal de la capture du neutron, signent cette réaction. La cible est constituée d’un liquide scintillant (PXE, huile minérale) où l’on dissout environ 1 ‰ de Gadolinium, noyau possédant une très grande section efficace de capture des neutrons. Ce liquide est regardé par 390 photomultiplicateurs. L’expérience dite « Double Chooz » vise à installer deux détecteurs identiques, un à 400 mètres du réacteur pour normaliser le flux d’antineutrinos, l’autre à 1 km pour mesurer la fraction d’antineutrinos « disparus » en oscillant vers des antineutrinos d’une autre saveur. Les mesures récentes de plusieurs paramètres d’oscillation permettent à présent d’affirmer que les antineutrinos de réacteurs, émis avec une énergie moyenne de 3 MeV, n’ont pas le temps d’osciller sur une distance de 400 m. Le détecteur proche de Double Chooz offre donc un laboratoire unique d’observation à distance d’une installation nucléaire à travers son flux d’antineutrinos.

 

 

Comparaison entre les spectres expérimentaux (points) et simulés (bandes colorées) émis par un échantillon d’235U pur irradié 1.5 jours dans un flux de neutrons thermiques. Seule la forme des spectres est ici testée, la normalisation est arbitraire.

Les conclusions d’un colloque organisé à Vienne les 17 et 18 décembre 2003 par l’AIEA font clairement ressortir l’intérêt potentiel de cette nouvelle méthode de contrôle. En effet, le spectre des antineutrinos émis à l’issue de la fission d’un noyau de plutonium 239 est moins énergétique que celui associé à la fission d’un noyau d’uranium 235. Le nombre moyen d’antineutrinos est lui aussi différent. Il y aurait donc là un moyen permettant en principe de discriminer entre un fonctionnement fortement plutonigène et un autre qui ne le serait pas.

L’AIEA a fait l’inventaire des scénarios malveillants permettant la production « discrète » de plutonium dans une centrale nucléaire. À chacun correspond une signature bien précise en termes d’antineutrinos (flux, spectres énergétiques, évolution temporelle). Un détecteur efficace d’antineutrinos permettrait donc de repérer les situations litigieuses ou mensongères. Cette idée n’a a priori rien d’utopique : l’expérience KamLAND, construite au Japon en marge de SuperKamiokande à des fins de physique fondamentale (son but est d’observer les oscillations des antineutrinos), permet déjà de compter avec une très bonne précision les antineutrinos émis par les réacteurs nucléaires japonais situés à une distance moyenne de 180 km.

 

Le DAPNIA, en collaboration avec Subatech-Nantes, développe actuellement une simulation détaillée du spectre d’antineutrinos émis par un réacteur. Un code d’évolution (MURE), incluant la géométrie du cœur et la composition isotopique du combustible de départ, permet de prédire l’évolution dans le temps de cette composition isotopique. Le spectre antineutrino est alors construit branche beta par branche beta, grâce aux informations des bases de données nucléaires. Cette approche « ab-initio » permet un suivi complet du spectre par intervalle de temps et d’énergie. De plus toutes les sources d’erreurs sur les quantités intervenant dans la construction du spectre peuvent être propagées ainsi que les corrélations entre bins d’énergie. Il devient alors possible de chiffrer, pour la première fois, une sensibilité à un changement du rapport uranium / plutonium dans le cœur. Ceci revient à déterminer quelle est, dans la limite des connaissances actuelles sur les produits de fissions, la masse minimum détectable de plutonium que l’on peut extraire d’un cœur. Puisque l’information sur toutes les sources d’erreurs est disponible, il est aussi possible de pointer quels noyaux mal connus il serait intéressant de contraindre expérimentalement pour améliorer la sensibilité.

L’importante quantité d’information à gérer nécessite de mettre en place le plus de vérifications possibles à différentes étapes du calcul. Diverses mesures de spectres peuvent être utilisées à cette fin. La figure 1 illustre ainsi la comparaison entre nos simulations et les spectres intégraux issus de la fission de l’235U mesurés auprès du réacteur de recherche de l’ILL à Grenoble. Ces premiers résultats montrent que dans le domaine d’énergie accessible expérimentalement par réaction beta inverse (E<6 MeV), le spectre d’antineutrinos est dominé par des transitions bien connues ce qui permet d’espérer une bonne précision finale des simulations.

Pendant la première phase de Double Chooz (avec le détecteur lointain seulement) cette simulation pourra fournir une analyse complémentaire des oscillations, basée sur une distorsion du spectre mesuré par rapport à la prédiction. Dans la seconde phase, la précision statistique du détecteur proche permettra de valider plus en détail l’évolution en temps prédite par la simulation.

À terme le cahier des charges de l’AIEA est celui d’un détecteur compact et bas coût. Nous sommes actuellement en recherche de financement pour la réalisation d’un tel détecteur miniature d’antineutrino qui pourrait être testé auprès d’un réacteur de recherche tel que celui de l’ILL. Suite à l’intérêt manifesté par l’AIEA, un effort important a déjà démarré aux USA, conduit par des physiciens du Lawrence Livermore National Laboratory et de Sandia Laboratories. Un groupe de physiciens brésiliens, qui collaborent avec nous sur Double Chooz a également reçu de leurs gouvernement un financement destiné à construire un détecteur d’antineutrinos devant s’installer à proximité de la nouvelle tranche à Angra. Ceci constituerai le premier réacteur civil dans le monde qui soit équipé d’un dispositif automatisé et global de surveillance.

 

 

 

 

 

 

maj : 13-06-2007 (1521)

Science

Description de l'expérience Double Chooz

La physique des neutrinos a accompli dans les cinq dernières années des progrès considérables. De tous ces travaux, il résulte que les neutrinos sont massifs, bien que plusieurs millions de fois plus légers que l’électron, et que les trois espèces de neutrinos existantes (νe, νμ, ντ) ont cette propriété étonnante de convertir leur saveur leptonique par le phénomène d’oscillation. Il s’agit d’un indice tangible de l’existence d’une physique non décrite par le Modèle Standard Minimal de la physique des particules.

D’une façon similaire à ce que l’on observe dans le secteur des quarks, le phénomène d’oscillation de neutrinos dépend de trois angles de mélange, θ12, θ23 et θ13, ainsi que d’un terme complexe, la phase de violation de symétrie CP. Ce dernier terme pourrait être à l’origine de l’asymétrie matière antimatière de l’Univers observable. L’amplitude de la violation de CP dans le secteur des leptons dépend directement de la valeur des angles de mélanges θ12, θ23 et θ13, mesurables par les expériences d’oscillation de neutrinos. Jusqu'à présent, seuls les deux angles θ12 et θ23 ont été mesurés de façon assez précise. Ils ont tous deux des valeurs étonnamment élevées en comparaison avec le secteur des quarks. Par contre, la valeur de l’angle θ13 reste mal connue. Autant pour comprendre la phénoménologie des oscillations de neutrinos, qu'en vue d'une mesure de violation de CP dans le secteur des leptons, une expérience mesurant proprement θ13 permettrait de définir clairement la feuille de route de la physique des neutrinos dans les vingt prochaines années.

 Parmi tous les moyens déjà envisagés pour mesurer cet angle de mélange, l’expérience Chooz (France) a seulement réussi à contraindre sa valeur, sin2(2θ13)<0,20 (90% C.L., pour Δm2atm = 2,010-3 eV2). Il s’agit de la meilleure contrainte mondiale actuelle ; elle nous apprend déjà que θ13 est significativement plus petit que les deux autres angles θ12 et θ23. L’expérience Double Chooz se propose d’améliorer la sensibilité de la première expérience en recherchant la troisième oscillation de neutrinos (1 à 3) jusqu’à sin2(2θ13)>0,04-0,05 (découverte à « 3σ », Δm2atm=2,0 10-3 eV2 et connu avec une précision de 20%). Par contre la limite supérieure serait améliorée à sin2(2θ13)<0,02-0,03 (90% C.L., Δm2atm=2,0 10-3 eV2) si aucune disparition d’antineutrinos électroniques n’était observée. Bien qu’il n’y ait pas de consensus dans ce domaine, certains modèles prévoient actuellement des valeurs de θ13 proches de la limite actuelle donnée par l’expérience

Principe de la mesure de l'angle θ13 dans Double Chooz

Depuis la découverte des antineutrinos par Reines et Cowan en 1956 jusqu'à la mise en évidence récente de la disparition d'antineutrinos de réacteurs à grande distance (200 km) par l'expérience KamLAND au Japon, les expériences d'oscillation de neutrinos auprès de réacteurs nucléaires n'ont jamais quitté le devant de la scène. Elles exploitent les antineutrinos électroniques de faible énergie (2-10 MeV) produits au cours des désintégrations bêta lors des fissions nucléaires, sources de la production d’énergie au cœur des réacteurs.

Les réacteurs nucléaires sont des sources copieuses d’antineutrinos électroniques. Ces derniers sont susceptibles de se transformer périodiquement en antineutrinos d’une autre saveur au cours de leur propagation : c’est le phénomène d’oscillations de neutrinos recherché. Pour mettre en évidence cet effet, il faut mesurer les flux de neutrinos à différentes distances.

Le concept novateur de Double Chooz est d’utiliser deux détecteurs identiques de neutrinos. Le premier détecteur (dit « détecteur proche ») sera localisé à 400 mètres des deux cœurs de la centrale de Chooz pour mesurer précisément le flux et le spectre énergétique des antineutrinos émis. Un nouveau laboratoire devra être construit à cet effet pour abriter le détecteur, en partenariat avec EDF qui a donné son aval à l’implantation de l’expérience sur le site de la centrale. Le second détecteur (dit « détecteur lointain ») sera localisé à 1 kilomètre des cœurs, dans la cavité déjà construite et aménagée par EDF pour la première expérience à Chooz, dans les années 1990. La disponibilité du site lointain constitue l’avantage principal de faire une deuxième expérience à Chooz.

Pour atteindre la précision voulue il faut minimiser les bruits de fond les plus nuisibles qui sont induits par le rayonnement cosmique naturel et les matériaux du détecteur (contraintes de basse radioactivité). Il est nécessaire « d’enterrer » les deux détecteurs. Le site du détecteur lointain est déjà construit sous 100 mètres de roche (l’équivalent de 300 mètres d’eau). Le détecteur proche devra quant à lui être protégé par environ 45 mètres de roche ou équivalent (enterré, et recouvert d’un monticule de terre ou de gravier).

Le principe de la mesure est de chercher une déviation à la loi en 1/D2 aux distances (D) des deux détecteurs qui serait directement imputable au phénomène d’oscillation des neutrinos ; l’observation et la mesure d’une telle déviation permettraient de remonter à la valeur de l’angle de mélange recherché. Comparativement aux meilleures expériences déjà réalisées dans ce domaine – la première expérience à Chooz en France, et l’expérience KamLAND au Japon – la nouvelle expérience d’oscillation de neutrinos de réacteurs devra réduire les erreurs systématiques de mesure du signal. Pour obtenir la sensibilité requise, l’ensemble des erreurs systématiques de cette mesure doit être ramenée au dessous du pourcent (entre trois et cinq fois plus faible que la première expérience à Chooz). C’est le défi technique de cette expérience. La comparaison directe entre les signaux des deux détecteurs présente l’avantage de minimiser un grand nombre d’effets systématiques détériorant la précision de la mesure de θ13. Des simulations ont été effectuées, et ont montré que l’objectif de l’expérience pouvait être atteint.

La détection des antineutrinos utilise la réaction anti-νe + proton donne positron (e+) + neutron. Le ralentissement du positon (e+), puis son annihilation, suivi quelques dizaines de µs plus tard du signal de la capture du neutron, signent cette réaction. L’énergie du positron doit être mesurée pour remonter à l’énergie de l’antineutrino incident.

 

 

Courbe donnant la sensibilité de l'expérience Double Chooz en fonction du temps de prise de donnée avec un puis deux détecteurs.

 

 

 

 

Résultats attendus pour la mesure de l'angle de mélange θ13

La meilleur contrainte sur l’angle de mélange θ13 a été donnée par l’expérience Chooz ; elle a seulement réussi à contraindre sa valeur, sin2(2θ13)<0,20 (90% C.L., pour Δm2 = 2,0 10-3 eV2).

L’expérience Double Chooz se propose d’améliorer la sensibilité de la première expérience en recherchant la troisième oscillation de neutrinos (1à3) jusqu’à sin2(2θ13) > 0,04-0,05 (découverte à « 3σ », Δm2=2,0-2,4 10-3 eV2 et connu avec une précision de 20%).

Par contre la limite supérieure serait améliorée à sin2(2θ13)<0,02-0,03 (90% C.L., Δm2=2,0-2,4 10-3 eV2) si aucune disparition d’antineutrinos électroniques n’était observée.

L’expérience Double Chooz a une sensibilité meilleure que les expériences sur accélérateurs en cours de construction ou en démarrage : MINOS ou OPERA; en effet, ces dernières ont été optimisées pour d’autres objectifs de physiques. Double Chooz aura une sensibilité similaire aux futures expériences T2K et Nova. Ces dernières mesurent cette oscillation dans un autre canal (transition de neutrinos muoniques vers électroniques) ce qui rend les deux types de mesure complémentaires. Double Chooz est une expérience à plus petite « échelle » que les projets sur accélérateurs, mais elle pourrait être la première à observer la 3ème oscillation des neutrinos si sin2(2θ13)

 

 

maj : 13-06-2007 (1527)

Production intellectuelle
 

 Publications

Le goupe du DAPNIA a eu les responsabilités d'édition de la lettre d'intention européenne (arXiv:hep-ex/0405032), du proposal (arXiv:hep-ex/0606025), et du Technical Design report de l'expérience Double Chooz 

 

 Title : Neutrino oscillations – The Double Chooz experiment

Author : Thierry Lasserre
Journal : Europhysics News Voluyme 38 Number 4 2007, 20-24
Web : http://www.europhysicsnews.org/external_data/2007/04/Whole_issue.pdf

 

Title : L’exploration souterraine des cieux
Author : Thierry Lasserre
Journal : L’Astronomie, Volume 121, Juillet-Aout 2007, 334-342

 

Title: A unified analysis of the reactor neutrino program towards the measurement of the theta_13 mixing angle
Authors: Guillaume Mention (DAPNIA), Thierry Lasserre (DAPNIA, APC), Dario Motta (DAPNIA)
Subjects: High Energy Physics - Experiment (hep-ex)
Journal : arXiv:0704.0498 , to be published in Phys Rev D.

 

Title: Neutrinos and Non-proliferation in Europe
Authors: M. Cribier (DAPNIA, APC)
Journal-ref:  Neutrino Sciences 2005 Neutrino Geophysics (2006) 331-341 (arXiv:0704.0548)

 

Title : L’intérieur de la Terre en direct »  Article sur les neutrinos géophysiques
Author : Th. Lasserre & Ph. Pajot
Journal : La Recherche, Octobre 2006, Numéro 401, pages 50-53.

 

Title: Scintillating Oil and materials for geoneutrino detectors
Authors: Thierry Lasserre (DAPNIA, APC)
Journal-ref: Neutrino Sciences 2005 Neutrino Geophysics (2006) 275-284

 

Title: Reactor Monitoring with Neutrinos (arXiv:0704.0891)
Authors: M. Cribier (DAPNIA, APC)
Comments: 5 pages - XXII International Conference On Neutrino Physics And Astrophysics (Neutrino 2006)
Journal-ref: XXII International Conference On Neutrino Physics And Astrophysics (Neutrino 2006), Santa Fe (USA)

 

Title: Search for the theta-13 Neutrino Mixing Angle Using Reactor Anti-Neutrinos
Authors: Dario Motta
Comments: 12 pages, 4 figures, 4 tables. Presented at the "6th Rencontres du Vietnam" conference
Journal-ref: 6th Rencontres du Vietnam, Viet Nam (arXiv:hep-ex/0702003)

 

Title: Double Chooz, A Search for the Neutrino Mixing Angle theta-13
Authors: The Double Chooz Collaboration, edited by Thierry Lasserre & Maury Goodman
Comments: Double Chooz Collaboration Description of planned reactor neutrino experiment. 162 pages, 106 figures, 113 authors from 24 institutions (arXiv:hep-ex/0606025)

 

Title: Reactor Neutrinos
Authors: Thierry Lasserre and Henry W. Sobel
Journal-ref: Comptes Rendus Physique 6 (2005) 749-757 (arXiv:nucl-ex/0601013 )

 

Title: Chasing theta-13 with new reactor neutrino experiments
Authors: Th. Lasserre
Comments: Talk given at the 6th International Workshop on Neutrino Factories & Superbeams, July 26-Aug 1, 2004, Osaka, Japan. 5 pages (arXiv:hep-ex/0411083)

 

Title: Double-Chooz: a search for Theta13
Authors: Th. Lasserre
Comments: 3 pages, 1 figure, Proceedings of Nufact'04, July 26 - August 01 2004, Osaka, (arXiv:hep-ex/0409060)

 

Title: Letter of Intent for Double Chooz: a Search for the Mixing Angle theta-13
Authors: The Double Chooz Collaboration, Edited by Th. Lasserre
Comments: 102 pages, 9 chapters, 3 appendix. 43 figures (arXiv:hep-ex/0405032 )
 

Thèses 

  •  groupe du DAPNIA acceuille deux étudiants qui défendrons leur thèse en 2010.

 

Stages

  •  Le groupe acceuille par ailleurs trois étudiants en stage de master2 chaque année, et a encadré deux étudiants en stage d'IUT en 2006 et 2007 et une étudiante en stage d'école d'ingénieur en 2007. 
 

maj : 13-06-2007 (1529)

Liens et documents

 

 

 

 

maj : 13-06-2007 (1530)

Série de posters décrivant l'expérience Double Chooz
Les posters sont en format A0. Les fichiers .pdf sont accessibles ci-dessous

maj : 27-10-2009 (2651)

 

• Les constituants ultimes de la matièreL'étude des neutrinos

• Le service d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique • Le service d'Ingénierie des Systèmes • Le service de Physique des Particules • Le Service de Physique Nucléaire 

• Groupe Mesures Nucléaires et Modélisation 

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