Projets 2017

07 décembre 2017
STErile REactor Oscillation experiment

Motivation de l'expérience

L’objectif de l’expérience Stereo est la recherche d’une nouvelle particule: un neutrino stérile qui aurait une masse de l’ordre de 1 eV. L’existence d’une telle particule serait une évolution majeure du Modèle Standard, notre description actuelle des constituants élémentaires de la matière et de leur interaction. Sa découverte ouvrirait la voie à un nouveau pan de physique fondamentale à explorer, avec l’existence potentielle d’autres états de neutrinos stériles. Les neutrinos constituant le plus grand nombre de particules de matière dans l’univers, les conséquences de neutrinos stériles s’étendent en astrophysique (mécanisme d’explosion des étoiles et nucléosynthèse associée) et en cosmologie (formation des structures à grande échelle dans l’univers).

Un neutrino est dit stérile lorsqu'il ne couple pas à l'interaction faible. En-dehors des effets gravitationnels à très grande échelle, le seul moyen d'observation "directe" d'un neutrino stérile est alors sa participation au mécanisme d'oscillaton. Un phénomène déjà observé entre les trois saveurs connues de neutrinos (νe,νμ,ντ). Dans le cas du stérile, son mélange avec les autres neutrinos se traduirait par une nouvelle disparition, périodique en fonction de la distance de parcours, qui se supperposerait aux effets déjà connus (figure 1). Dans le cas des neutrinos émis par les réacteurs nucléaires, une telle disparition "anormale" a été récemment mise en évidence par des travaux menés à l'Irfu. Suite à une ré-évaluation des taux de neutrinos prédits, l'ensemble des valeurs mesurées entre 10 et 100 m se retrouve en net déficit par rapport à la prédiction (ligne pointillée rouge de la figure 1). L'interprétation de ce déficit comme une possible oscillation vers un neutrino stérile a lancé un programme de plusieurs expériences à travers le monde pour rechercher ce qui serait la signature indiscutable du neutrino stérile: un nouveau pattern d'oscillation (disparitions périodiques) à très courte distance d'une source intense de neutrinos. Stereo est l'une de ces expériences. Elle regroupe une collaboration du CEA-Irfu, des laboratoires CNRS-LPSC de Grenoble, CNRS-LAPP d'Annecy, de l'Institut Laue-Langevin de Grenoble et du Max-Planck Institut für Kernphysik de Heidelberg.

 

Articles de l'Irfu à l'origine de "l'anomalie réacteur":

09 février 2017

Les désintégrations double beta sans émission de neutrino (0νββ) sont des transitions nucléaires hypothétiques, dont l’existence donnerait des indications essentielles sur les propriétés des neutrinos comme la hiérarchie et l’échelle absolue de leurs masses. L’observation de ce processus prouverait que la conservation du nombre leptonique peut être violée et qu’il est necessaire d’étendre le modèle standard. L’expérience LUMINEU (Luminescent Underground Molybdenum Investigation for NEUtrino mass and nature – projet ANR français) se concentre sur l’étude de l’isotope 100Mo du molybdène, qui est un excellent candidat pour les expériences de recherche de double désintégration beta sans neutrino (Q0νββ = 3034 keV, avec une teneur isotopique naturelle raisonnablement haute - 9,7 % et une technologie d’enrichissement viable). Le point clé du projet LUMINEU est l’utilisation d’une technologie de détection innovante, basée sur des bolomètres scintillants cryogéniques. Un bolomètre scintillant se compose d’un absorbeur d’énergie (qui incorpore l’isotope ββ) équipé d’un capteur de température et couplé à un détecteur de lumière. Le signal, collecté à très basse température (typiquement < 20 mK pour les grands bolomètres), est l’impulsion thermique qui suit un dépôt d’énergie dans le cristal. Si l’absorbeur est également un scintillateur, il est possible de collecter en coïncidence les signaux de lumière, utiles pour séparer les signaux α et les signaux ϒ/β qui provoquent des émissions de lumière différentes lorsqu’une particule est absorbée.  La technique bolométrique est ici utilisée dans ce qu’on appelle une approche « source = détecteur », qui combine haute résolution et grande efficacité.

 

LUMINEU est une activité de R&D qui promeut avec succès l’utilisation de bolomètres scintillants avec des cristaux de ZnMoO4 et de Li2MoO4 pour l’étude de la désintégration 0νββ du 100Mo. Dans le cadre de cette expérience, plusieurs détecteurs ont été testés sous terre au LSM (Laboratoire Souterrain de Modane) et au LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso). En particulier nous avons été en mesure de produire différents cristaux scintillants enrichis de Li2100MoO4 (enrichis à 99,9 % en 100Mo produits au NIIC (Novosibirsk, Russie)).

 

LUMINEU a ouvert la voie à la prochaine étape de l’expérience, appelée CUPID-Mo, une matrice de 20 cristaux de Li2100MoO4 (~ 3 kg de 100Mo) équipés de thermistances NTD au germanium (capteurs de température particuliers) et couplés à des détecteurs de lumière au germanium. L’objectif principal de CUPID-Mo est de prouver la possibilité d’atteindre un taux de bruit de fond inférieur à 10-3 coups x kg x an. Ce démonstrateur fait partie du projet CUPID, une expérience bolométrique à l’échelle de la tonne proposée comme suite à l’expérience CUORE.

 

Contacts

Claudia Nones

04 décembre 2017
Spectroscopy and Identification of Rare Isotopes Using S3

L’accélérateur supraconducteur de l’installation Spiral2 au Ganil va fournir des faisceaux de très haute intensité au Super Séparateur Spectromètre S3. Ces expériences ouvriront de nouvelles perspectives pour l’étude des noyaux rares et les mécanismes de réaction à faible section efficaces, aux limites de la stabilité nucléaire. L’étude de ces noyaux instables a été identifié comme un aspect majeur du programme de physique de l’installation Spiral2-Phase 1 qui fournira des faisceaux d’ions lourds stables d’une intensité inégalée.

L’objet de recherche principal de ce programme est l'étude de la formation des noyaux superlourds et très déficients en neutrons. Ces noyaux pourront être produits en grande quantité par réaction de fusion-évaporation. Sélectionnés par le spectromètre S3, ils pourront notamment être étudiés par la mesure de leurs décroissances radioactives.

 

14 novembre 2017

FALSTAFF a pour but de fournir des données précises sur les caractéristiques (distributions de masse, énergie cinétique) des fragments de fission et la multiplicité des neutrons pour la fission des actinides induite par des neutron de 500 keV à 20 MeV. Ces données sont particulièrement intéressantes pour le développement de la technologie des réacteurs rapides. Un grand nombre de résultats existe pour la fission induite par des neutrons thermiques mais certains n’ont pas la précision nécessaire ou sont partiels. Dans le domaine des neutrons rapides, peu de données sont disponibles.

 

La dépendance en énergie de la masse et de l’énergie cinétique des fragments aussi bien que de la multiplicité des neutrons sont des observables importantes pour l’étude du processus de fission. De nouvelles données permettront d’améliorer les prédictions, en particulier pour les noyaux difficiles à étudier expérimentalement. Le partage de l’énergie d’excitation, les effets pairs-impairs, l’énergie de déformation ainsi que les modes de fission sont quelques-uns des aspects que FALSTAFF permettra d’étudier.

 

Les distributions de masse seront obtenues à l’aide des mesures de temps de vol et d’énergie résiduelle. FALSTAFF mesurera la vitesse et l’énergie des deux fragments complémentaires en coïncidence. La résolution temporelle nécessaire sera obtenue avec des détecteurs MWPC-SEDs permettant d’atteindre une résolution de l’ordre de 120 ps. Des chambres à ionisation avec champ axial seront placées derrière les détecteurs stop afin de mesurer l’énergie résiduelle des fragments. La mesure de la vitesse et de l’énergie servira à déterminer la masse des fragments avant et après l’évaporation des neutrons. La multiplicité de ces neutrons sera donc déduite des masses pré et post évaporation. L’énergie d’excitation sera déterminée à partir de la mesure de l’énergie résiduelle.

 

L’expérience (IPN Orsay, Sept. 2017) dédiée à l’étalonnage de la chambre à ionisation est en cours d’analyse. Les tests du premier bras de FALSTAFF sont en cours à Saclay. En 2018 FALSTAFF sera installé auprès du réacteur Orphée afin de valider l’ensemble expérimental sous faisceau en étudiant la fission de l’235U. La construction du second bras est envisagée pour 2019.

23 juillet 2017

sPHENIX est un nouvel détecteur qui sera installé au RHIC, BNL. sPHENIX disposera des technologies les plus avancées pour étudier le plasma de quarks et de gluons fortement couplé en utilisant les jets et les saveur lourdes comme observables. L’objectif de sPHENIX est de comprendre la structure microscopique du plasma et reveler comment ca nature fortement couplé emerge à partir des interactions élémentaires entre quarks et gluons décrites pas la chromodynamique quantique.

12 octobre 2017
Modéliser les explosions de supernovae et les sursauts gamma

Acronyme du projet ERC : MagBURST

Modélisation ab initio des explosions de supernovae extrêmes et des sursauts gamma

Titre de l'ERC : Vers une compréhension ab initio des explosions d'étoiles : les magnétars en tant que moteur central des hypernovae et des sursauts gamma

Porteur CEA : Jérôme Guilet

 

22 février 2017
Architectures de bolomètres pour des Télescopes à grand champ de vue dans le domaine sub-Millimétrique au Sol

ArTéMiS est une caméra dédiée à la recherche en astrophysique dans le domaine submillimétrique.

 

Elle est installée sur le télescope APEX, dans le désert d’Atacama au Chili, à 5100 m d’altitude.

 

ArTéMiS est le seul instrument imageur disponible pour ces longueurs d’onde (observations simultanées à 350 et 450 microns) dans l’hémisphère sud. L’accès à cet instrument est offert à l’ensemble de la communauté astronomique, via les appels à propositions de l’ESO et de l’OSO.

 

 

 

19 mai 2017
un Concentrateur Solaire Quantique avec des Fibres Optiques à Retournement de Photons

Le principe du Concentrateur Solaire Quantique à Fibres Optiques à Retournement de Photons.

 

Issu de la recherche fondamentale sur les neutrinos, le Concentrateur Solaire Quantique (CSQ) constitué est une solution d'avenir low-cost et haut rendement pour l'énergie solaire photovoltaïque.

Le CSQ est contitué d'un tapis de Fibres Optiques à Retournement de Photons (FORP) piègeant la lumière solaire, la transformant et la guidant vers une cellule photovoltaïque.

Cette cellule photovoltaïque, formée d'une fine bandelette est disposée sur le périmètre de ce tapis de fibres.

 

Le concept de retournement de photons est obtenu en faisant coïncider simultanément trois effets quantiques : on fait coïncider la bande de longueur d'onde de fluorescence d'un colorant avec la bande interdite d'une fibre à cristal photonique, ainsi qu'un mode propre de cette fibre.

 

En pénétrant latéralement dans la fibre par la gaine transparente, la FORP agit comme un concentrateur spectral, en ramenant tout le flux d'énergie compris entre [400-900] nm jusqu'à 950 nm. Tandis qu'une simple fibre optique classique fluorescente en plastique ne laisse sortir que 6 % environ de la lumière solaire incidente, avec une FORP, les calculs théoriques prédisent 80 % à 100 % du flux de photons de la lumière solaire en sortie de fibre après un mètre de parcours environ. 

 

Pour simplifier, la FORP transforme un faisceau de lumière polychromatique et omnidirectionnel en un faisceau de lumière monochromatique et monodirectionnel au maximum d'efficacité quantique du Silicium.

 

De ce fait, le Concentrateur Solaire Quantique est constitué de 99 % de Plastique et de 1 % de Silicium. Des rendements énergétiques supérieurs à 20 % sont a prévoir.

Avec un coût estimé à 10€/m², tout en ayant des rendements énergétiques élevés, le Concentrateur Solaire Quantique est une technologie de rupture très prometteuse.

 

En résumé, alors qu'aujourd'hui avec des panneaux solaires classiques, une centrale photovoltaïque de 1 GigaWatt crête coûte environ 1 milliard €, une centrale solaire utilisant la technologie du Concentrateur Solaire Quantique ne coûterait que quelques dizaines de milions €.

 

Avec une solution low-cost et à haut rendement, ce transfert technologique depuis la recherche fondamentale vers la recherche appliquée et l'industrie constitue une rupture à la fois technologique et économique pour le secteur de l'énergie solaire.

 

Parfaitement statique et toiturable, le Concentrateur Solaire Quantique ne nécessite pas un lourd et coûteux dispositif de suivi solaire (tracker) comme on en trouve dans le Photovoltaïque à concentration classique (CPV).  De plus il peut fonctionner par temps partiellement voilé et ne requiert pas un ciel bleu constant pour focaliser l'image du soleil sur la cellule photovoltaïque comme avec une lentille, contrairement au CPV qui est rentable uniquement sous les tropiques. Par ailleurs, l'échauffement du Silicium des Concentrateurs Photovoltaïques classiques causé par les photons infrarouges inutilisés sur le Silicium est totalement évité. En effet, seuls parviennent au semi-conducteur les photons utiles à l'effet photoélectrique dans le Silicium, les autres n'étant pas transformés par la Fibre Optique à Retournement de Photons.

22 février 2017
Development of innovative detectors for Positron Emission Tomography

Positron emission tomography (PET) is a powerful nuclear imaging technique used widely nowadays in oncology, cardiology and neuropsychiatry.

The PET technology consists in injecting the patient with a radioactive tracer, of interest to probe a biochemical process. The decay of the tracer emits a positron which annihilate with an electron. As a result of the annihilation, two photons with energy 511 keV are emitted back-to-back and registered by the dedicated detectors. The line-of-response connects the two points where photons are detected and allow to reconstruct the tracer distribution when large statistics events have been accumulated.

The CaLIPSO group works on the development of the the fast and precise light detection technique using Cherenkov and scinitillation photons to boost the time-of-flight (TOF) performance of PET scanners.

12 octobre 2017
Modéliser les explosions de supernovae et les sursauts gamma

Acronyme du projet ERC : MagBURST

Modélisation ab initio des explosions de supernovae extrêmes et des sursauts gamma

Titre de l'ERC : Vers une compréhension ab initio des explosions d'étoiles : les magnétars en tant que moteur central des hypernovae et des sursauts gamma

Porteur CEA : Jérôme Guilet

 

29 juin 2017

FRESCA2 est un aimant dipolaire de 1,5 m de long conçu pour fournir un champ central de 13 T à 4,2 K dans une ouverture de 100 mm avec une homogénéité de l’ordre du % sur 700 mm.

La géométrie retenue est une configuration en blocs ; chaque pôle est constitué de 2 bobines « racetrack », formées chacune de deux couches de conducteur ayant les têtes inclinées pour dégager l’ouverture. Le conducteur est un câble en Nb3Sn de type Rutherford, constitué de 40 brins de 1 mm de diamètre.

14,6 T @ 1.9 K : record de champ pour un dipôle de 100 mm d’ouverture.

Lors d’une première phase de test au CERN dans la station de test cryogénique du SM18, le dipôle FRESCA2 avait atteint un champ de 13.3 T (cf. fait marquant du 20/09/2017).  Après augmentation du préchargement mécanique de l’aimant, une nouvelle série de tests en avril 2018 a permis au dipôle FRESCA2 d’atteindre 14,6 T à la température de 1.9 K, un nouveau record de champ pour un dipôle de cette ouverture. Lors de ces essais, la stabilité de son fonctionnement a été validée respectivement à 14,4 T et 1.9 K et à 13.6 T et 4,5 K. Le dipôle a ainsi été qualifié : il va pouvoir maintenant être utilisé comme une station d’essai pour accueillir en particulier les tests de petits aimants réalisés à partir de supraconducteur à haute température critique.

19 mai 2017
un Concentrateur Solaire Quantique avec des Fibres Optiques à Retournement de Photons

Le principe du Concentrateur Solaire Quantique à Fibres Optiques à Retournement de Photons.

 

Issu de la recherche fondamentale sur les neutrinos, le Concentrateur Solaire Quantique (CSQ) constitué est une solution d'avenir low-cost et haut rendement pour l'énergie solaire photovoltaïque.

Le CSQ est contitué d'un tapis de Fibres Optiques à Retournement de Photons (FORP) piègeant la lumière solaire, la transformant et la guidant vers une cellule photovoltaïque.

Cette cellule photovoltaïque, formée d'une fine bandelette est disposée sur le périmètre de ce tapis de fibres.

 

Le concept de retournement de photons est obtenu en faisant coïncider simultanément trois effets quantiques : on fait coïncider la bande de longueur d'onde de fluorescence d'un colorant avec la bande interdite d'une fibre à cristal photonique, ainsi qu'un mode propre de cette fibre.

 

En pénétrant latéralement dans la fibre par la gaine transparente, la FORP agit comme un concentrateur spectral, en ramenant tout le flux d'énergie compris entre [400-900] nm jusqu'à 950 nm. Tandis qu'une simple fibre optique classique fluorescente en plastique ne laisse sortir que 6 % environ de la lumière solaire incidente, avec une FORP, les calculs théoriques prédisent 80 % à 100 % du flux de photons de la lumière solaire en sortie de fibre après un mètre de parcours environ. 

 

Pour simplifier, la FORP transforme un faisceau de lumière polychromatique et omnidirectionnel en un faisceau de lumière monochromatique et monodirectionnel au maximum d'efficacité quantique du Silicium.

 

De ce fait, le Concentrateur Solaire Quantique est constitué de 99 % de Plastique et de 1 % de Silicium. Des rendements énergétiques supérieurs à 20 % sont a prévoir.

Avec un coût estimé à 10€/m², tout en ayant des rendements énergétiques élevés, le Concentrateur Solaire Quantique est une technologie de rupture très prometteuse.

 

En résumé, alors qu'aujourd'hui avec des panneaux solaires classiques, une centrale photovoltaïque de 1 GigaWatt crête coûte environ 1 milliard €, une centrale solaire utilisant la technologie du Concentrateur Solaire Quantique ne coûterait que quelques dizaines de milions €.

 

Avec une solution low-cost et à haut rendement, ce transfert technologique depuis la recherche fondamentale vers la recherche appliquée et l'industrie constitue une rupture à la fois technologique et économique pour le secteur de l'énergie solaire.

 

Parfaitement statique et toiturable, le Concentrateur Solaire Quantique ne nécessite pas un lourd et coûteux dispositif de suivi solaire (tracker) comme on en trouve dans le Photovoltaïque à concentration classique (CPV).  De plus il peut fonctionner par temps partiellement voilé et ne requiert pas un ciel bleu constant pour focaliser l'image du soleil sur la cellule photovoltaïque comme avec une lentille, contrairement au CPV qui est rentable uniquement sous les tropiques. Par ailleurs, l'échauffement du Silicium des Concentrateurs Photovoltaïques classiques causé par les photons infrarouges inutilisés sur le Silicium est totalement évité. En effet, seuls parviennent au semi-conducteur les photons utiles à l'effet photoélectrique dans le Silicium, les autres n'étant pas transformés par la Fibre Optique à Retournement de Photons.

22 février 2017
Development of innovative detectors for Positron Emission Tomography

Positron emission tomography (PET) is a powerful nuclear imaging technique used widely nowadays in oncology, cardiology and neuropsychiatry.

The PET technology consists in injecting the patient with a radioactive tracer, of interest to probe a biochemical process. The decay of the tracer emits a positron which annihilate with an electron. As a result of the annihilation, two photons with energy 511 keV are emitted back-to-back and registered by the dedicated detectors. The line-of-response connects the two points where photons are detected and allow to reconstruct the tracer distribution when large statistics events have been accumulated.

The CaLIPSO group works on the development of the the fast and precise light detection technique using Cherenkov and scinitillation photons to boost the time-of-flight (TOF) performance of PET scanners.

 

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