01 octobre 2016
Stereo s'est installé près du réacteur et fait ses premières mesures
Stereo s'est installé près du réacteur et fait ses premières mesures

Le détecteur Stereo est composé d'un volume cible segmenté en six cellules contenant un liquide scintillant. Stereo est placé à 10 mètres du coeur du réacteur de recherche ILL à Grenoble.

La découverte des oscillations de neutrinos est une avancée majeure dans l'histoire des particules élémentaires. Ces particules de matière les plus abondantes dans l'univers ont une masse non nulle et les trois états connus de neutrinos se mélangent les uns aux autres pendant leur propagation. 
Un travail publié par le CEA-Irfu a déclenché un regain d’activité sur la thématique des neutrinos stériles. Cet article démontre qu’un déficit moyen de 7% de neutrinos est détectés par rapport aux prédictions théoriques. C'est l'anomalie des neutrinos de réacteur. Par analogie avec les déficits connus de neutrinos induits par les oscillations dans les secteurs solaire et atmosphérique, ce nouveau déficit à courte distance peut être interprété par l'existence d'un nouvel état de neutrino, un neutrino stérile. Si elle est prouvée, l'existence de cette particule serait une découverte majeure, avec un impact fort dans la physique des particules et la cosmologie. 
Dans les trois ans du projet, Stéréo propose la réalisation d’une mesure de précision à moins de 10 m du cœur compact du réacteur de recherche ILL (Grenoble, France). Le concept de détection est basé sur l'interaction des neutrinos dans un scintillateur liquide (LS). Le volume cible est segmenté suivant la direction du cœur en 6 cellules (1,0 x 1,0 x 0,4 m3). Elles sont remplies de LS dopé au Gd en vue de signer la capture radiative du neutron, corrélée avec l'annihilation d’un positron. Une couronne externe, remplie de LS sans Gd, récupère une partie des fuites de rayons pour améliorer l'efficacité de détection et la résolution en énergie. 

 

Installation à Grenoble

 

Printemps 2016 : Montage du détecteur interne au CNRS/LPSC de Grenoble et transport vers l'ILL:

 

Eté 2016 : Etapes d'assemblage des blindages plomb (Pb), polyéthylène (PE) et magnétique (mumétal) sur l'aire de montage du réacteur:

 

Automne 2016 : Mise en place de l'ensemble détecteur + blindage sur le site du réacteur. Les 93 tonnes (!) sont déplacées sur coussins d'air depuis l'aire de montage jusqu'à la casemate de prise de données. Avec cette technologie un homme aurait suffit pour le déplacer. Mais bon, le réacteur a insisté pour que le déplacement soit complètement sécurisé par un rail de guidage ancré au sol et des câbles d'amarrage répartis devant et derrière Stereo... alors on a fait comme ça. 

 

Résultats préliminaires

 

Les importants blindages mis en place autour du détecteur ont fait leur office pour réduire le bruit de fond induit par le fonctionnement du réacteur. Cependant il faut encore isoler les quelques centaines de neutrinos qui interagissent chaque jour dans notre liquide parmi les quelques centaines de signaux lumineux vu par le détecteur... chaque seconde! 

Une première étape cruciale consiste à bien comprendre la réponse du détecteur à différents dépôts d'énergie et en différents endroits à l'intérieur de cellules. Pour cela nous utilisons un jeu de sources radioactives émettant des rayons-γ d'énergie connue et qui peuvent être circulées dans les cellules et autour de celles-ci. L'énergie est reconstruite à partir de la charge lumineuse recueillie par chaque PM. Les paramètres de la simulation sont ensuite réglés au mieux pour décrire avec une bonne précision les distributions expérimentales obtenues. La qualité de cette analyse est validée en testant la reconstruction d'événements indépendants des sources, répartis uniformément dans tout le détecteur mais d'énergie connue (par exemple les rayons-γ de 2.2 MeV émis suite aux captures de neutrons sur les atomes d'hydrogène du liquide). 

 

Gauche: comparaison données-simulation pour une source de 54Mn au centre d'une cellule. Centre: exemple de spectre en énergie des γ de capture neutron sur l'hydrogène pour 5 jours de données. Droite: la position du pic hydrogène est stable à 1% près, chaque point représente 5 jours de prise de données.

 

Pour trier les candidats neutrinos nous exploitons toutes les caractéristiques du processus de détection: un signal prompt provenant d'un positron, avec un dépôt d'énergie très localisé, puis un signal retardé induit par la capture du neutron sur le Gd, avec un dépôt d'énergie totale autour de 8 MeV reparti entre plusieurs rayons-γ. L'écart en temps entre les deux signaux doit être une exponentielle avec une constante de temps attendue entre 15 et 20 μs étant donné la quantité de Gd que nous avons mis dans le liquide (0.1% en masse).

Gauche: signal retardé de la capture du neutron avec le pic à 8 MeV du Gd, majoritaire, et le pic secondaire de l'hydrogène à 2.2 MeV. La bonne résolution du détecteur sépare nettement ces deux contributions. Centre: illustration du procesus β-inverse de l'interaction des neutrinos. Droite: distribution exponetielle de l'écart en temps entre les candidats prompts et retardés, avec une constante de temps de 16.25 μs comme attendu. 

 

Le bruit de fond dit "accidentel" induit par le fonctionnement du réacteur est atténué grâce aux blindages déployés autour du détecteur. La contribution résiduelle est mesurée en ligne et soustraite avec une grande précision. Le bruit dominant est finalement celui induit par les rayons cosmiques. Du fait de la traversée de l'atmosphère avant d'atteindre Stereo, cette composante du bruit dépend de la pression atmosphérique. On vérifie cependant qu'entre les périodes réacteur OFF (mesure du bruit) et les périodes réacteur ON (bruit + neutrino), les taux de comptage varient exactement de la même façon en fonction de la pression. L'offset constant entre les deux courbes est le taux de neutrinos: environ 350 par jour! 

Une dernière validation importante utilise la variable "Qtail/Qtot", illustrée ci-dessous à droite. Cette variable permet d'isoler les signaux prompts dus aux electrons et positrons dans région à faible Qtail/Qtot. La seule différence entre les distributions des périodes ON et OFF est bien localisée aux faibles Qtail/Qtot, là ou le signal neutrino est attendu. A haut Qtail/Qtot les courbes se superposent parfaitement. Ceci prouve que, après soustraction du bruit accidentel, le réacteur n'induit pas de bruit de fond supplémentaire qui serait semblable à celui induit par les rayons cosmiques. Les périodes de réacteur OFF peuvent donc être utilisées pour soustraire de bruit de fond cosmique.

 

Gauche: évolution du nombre de paires "prompt-retardé" détectées en fonction de la pression atmosphérique. La dépendance linéaire est la même pour les périodes ON et OFF, avec l'offset constant des neutrinos entre les deux courbes. Droite: distribution de la variable "Qtail/Qtot" .

 

Avec 70 jours de prise de données réacteur ON, nous avons accumulé plus de 20000 candidats neutrinos dans Stereo depuis le démarrage de l'expérience. Nous sommes actuellement en train d'optimiser la rejection du bruit de fond cosmique et d'étudier toutes les incertitudes provenant de la soustraction de la composante résiduelle.

La forme des spectres de positrons, qui contient l'information sur le neutrino stérile, ne sera regardée qu'en toute fin d'analyse, lorsque nous serons convaincus que toutes les incertitudes de la mesure seront comprises et que nous aurons fixé tous les critères de sélection des neutrinos.

 

Alternance des périodes ON et OFF du réacteur ILL pour la première phase de prise de données de Stereo. La courbe bleue montre le niveau bien maîtrisé du bruit de fond accidentel provenant du réacteur. Le signal neutrino est clairement visible dans la différence de taux de comptage des paires corrélées "prompt-retardé" entre les périodes ON et OFF.

 

Maj : 27/03/2018 (4309)

 

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