Dans sa forme standard, la double désintégration bêta est un processus par lequel un noyau se désintègre en un noyau différent et émet deux électrons et deux antineutrinos (2νββ). Cette transition nucléaire est très rare, mais elle a été détectée dans plusieurs noyaux grâce à des expériences complexes. Si les neutrinos sont leurs propres antiparticules, il est possible que les antineutrinos émis lors de la double désintégration bêta s'annihilent mutuellement et disparaissent. C'est ce qu'on appelle la double désintégration bêta sans neutrinos (0νββ), un phénomène jamais observé jusqu'à présent. Si 0νββ est détecté, cela permet de vérifier que les neutrinos sont leurs propres antiparticules, et ce serait un indice de la raison pour laquelle ils ont leurs minuscules masses - et s'ils ont joué un rôle dans l'existence de notre univers dominé par la matière. 

L'expérience CUPID-Mo, installée au Laboratoire Souterrain de Modane,  après une année de données entre mars 2019 et avril 2020 vient de fixer une nouvelle limite mondiale pour la détection de la signature 0νββ.

 

L'expérience Double Chooz publie ses derniers résultats dans la revue Nature Physics. Après avoir triplé le volume de détection, une grande précision sur la valeur de l’angle θ13 caractérisant les oscillations de neutrinos est atteinte avec sin2(2θ13) = 0,105 ± 0,014; jolie synergie des neutrinistes de l'Irfu puisque cette mesure entre dans l'extraction du paramètre δCP par l'expérience T2K qui faisait la couverture de Nature en avril (voir Fait Marquant du 15 avril). Prochaine étape, le démantèlement des installations à Chooz, après sept années de prise de données. Une nouvelle métrologie des volumes de détection permettra encore d’affiner la connaissance de l’oscillation.

La collaboration T2K vient de publier dans le journal Nature de nouveaux résultats aboutissant à la meilleure contrainte à ce jour sur le paramètre qui mesure l’asymétrie entre la matière et l’antimatière dans les oscillations de neutrinos. En utilisant des faisceaux de neutrinos et d’anti-neutrinos muoniques, T2K a étudié comment ces particules et ces anti-particules se transforment en neutrinos et anti-neutrinos électroniques respectivement. Le paramètre qui gouverne cette brisure de la symétrie matière-antimatière dans les oscillations de neutrinos, appelé δcp, peut a priori prendre une valeur comprise entre -180º et 180º. Ce résultat de T2K exclut pour la première fois près de la moitié des valeurs possibles à 99.7% (3σ) de degré de confiance et commence à révéler une propriété fondamentale des neutrinos qui n’a pas encore été mise en évidence jusque-là. C’est une étape importante pour comprendre si les neutrinos et les anti-neutrinos se comportent différemment. Ces résultats, qui utilisent des données collectées jusqu’en 2018, ont été publiées dans la revue scientifique Nature (Vol. 580, pp. 339-344).

Actualité de l'IN2P3

L’expérience internationale CUPID Mo menée par des laboratoires français de l’IN2P3 et du CEA/IRFU, teste depuis avril dernier l’usage de cristaux à base de Molybdène pour détecter des doubles désintégrations beta sans émission de neutrinos. L'expérience monte progressivement en puissance et montre dès à présent un fond proche de zéro dans la zone d'intérêt, ce qui est très prometteur. Les scientifiques de la collaboration faisaient un point à l'occasion de l'inauguration officielle les 11 et 12 décembre 2019.

Une équipe du département de physique des particules (DPhP) de l'Irfu, vient de mener l’étude la plus précise à ce jour portant sur la masse de neutrinos cosmiques, comprenant à la fois des neutrinos du modèle standard et des neutrinos stériles contribuant à la matière noire.  

Les chercheurs ont exploité les spectres de près de 200 000 quasars lointains mesurés par le projet eBOSS du Sloan Digital Sky Survey (SDSS), qui leur ont permis de cartographier la répartition de l’hydrogène à des époques très reculées de l’histoire de notre univers, il y a dix à douze milliards d’années de cela.

Les neutrinos, se propageant à des vitesses relativistes durant des milliards d’années, empêchent la gravité d'agir à petites échelles et lissent les structures (amas de galaxies, filaments,…) révélées par les spectres des quasars.  Grâce à la précision des mesures, les chercheurs ont pu resserrer le domaine possible pour la masse des neutrinos cosmiques, au point d’avoir leur mot à dire sur la façon dont sont ordonnées les différentes masses des trois neutrinos du modèle standard.

Claudia Nones, physicienne des particules à l’Irfu, vient de recevoir une bourse ERC « Consolidator » pour ses recherches sur les neutrinos. Le projet BINGO vise à aller encore plus loin dans les performances des bolomètres scintillants, technique de détection d'une désintégration rare appelée double beta sans emission de neutrinos, signature de la nouvelle physique au delà du modèle standard de la physique des particules. 

 

Le code FIFRELIN simule la fission nucléaire et la désexcitation des noyaux alors produits. STEREO est un détecteur compact de neutrinos qui cherche un hypothétique neutrino stérile. Deux thématiques a priori disjointes développées au CEA, la première à la DEN, la seconde à la DRF/Irfu, qui se sont pourtant récemment rencontrées pour atteindre une précision inédite sur un ingrédient crucial de la détection des neutrinos : la désexcitation d’un noyau de Gadolinium après la capture d’un neutron. Les résultats de cette rencontre viennent d’être publiés dans la revue The European Physical Journal A [1].

Les scientifiques de la collaboration ProtoDUNE au CERN ont commencé à tester un tout nouveau prototype de détecteur de neutrinos, en utilisant une technologie très prometteuse, appelée "double phase". Si les premiers résultats obtenus se confirment, cette nouvelle technologie sera utilisée à une plus grande échelle pour l’expérience internationale DUNE aux États-Unis. Les scientifiques français du CNRS et du CEA jouent un rôle de premier plan dans le développement et la mise en route de ce détecteur innovant.

Dotés d’une très faible masse les neutrinos jouent un rôle clé en en physique des particules et en cosmologie. La contrainte sur leur masse vient tout juste d’être améliorée par l'expérience KATRIN. La première campagne scientifique de 4 semaines de prise de données, au printemps 2019, contraint désormais la masse des neutrinos à moins de 1.1 électron-volt. Il s’agit de la meilleure mesure indépendante de tous modèles, apportant une amélioration d'un facteur 2 par rapport aux résultats expérimentaux antérieurs. La contrainte est encore inférieure à celle venant des mesures cosmologiques sur la masse totale de 3 saveurs de neutrinos, qui flirte avec la centaine de milli eV (meV).   Mais KATRIN va continuer à prendre plus de données durant les 5 prochaines années et devrait atteindre une sensibilité sur la masse du neutrino électronique voisine de 200 meV. Le haut potentiel de cette expérience réside dans sa précision et dans le fait que cette mesure est, elle, indépendante de tout modèle théorique contrairement aux mesures issues des observations cosmologiques. En effet elle repose sur la conservation de l’énergie et la mesure d’une expérience bien connue, la désintégration beta.

L’expérience STEREO publie de nouveaux résultats basés sur la détection d’environ 65 000 neutrinos à courte distance du réacteur de recherche de l’ILL-Grenoble. Leur précision améliorée permet de rejeter l'hypothèse d'un 4ème neutrino dans une grande partie du domaine prédit par « l'anomalie neutrino des réacteurs ». Bénéficiant d’un bon contrôle de la réponse du détecteur, STEREO publie également ses premières mesures absolues du taux de neutrinos et de la forme du spectre.

Les neutrinos issus du Big Bang parcourent l’Univers depuis plus de 13 milliards d'années. Ils sont quasi indétectables mais leur empreinte sur la formation des grandes structures de l'Univers comme les galaxies, peut être détectée. Pour la première fois, cette trace du « fond diffus de neutrinos » issus du Big Bang sur les « oscillations acoustiques baryoniques » (BAO) a été déduite du relevé de 1,2 million de galaxies du "Sloan Digital Sky Survey" (SDSS). Ces données correspondent à 5 années d’observations de l’expérience BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey), télescope au sol installé au Nouveau Mexique. Le résultat, publié dans la revue Nature Physics, montre comment la phase des BAO permet de contraindre le nombre d'espèces des neutrinos du modèle standard de la physique des particules.

Le groupe du DPhP participe à ce projet depuis plus de 10 ans et actuellement à son extension, le projet eBOSS. Dans un futur très proche, le projet DESI pourra étudier encore plus précisément ce fond de neutrinos cosmiques produit par le Big Bang.

 

En 2018, l’Irfu participe à une publication CUPID-0: the first array of enriched scintillating bolometers for 0νββ decay investigations qui fait le point sur une première matrice de bolomètres installés au laboratoire du Gran Sasso en Italie dont l’objectif est de traquer la désintégration double beta sans émission de neutrino (0νββ) qui révèlera la nature des neutrinos. Cette publication décrit l’intégration des détecteurs, leurs tests et leur mise en service pour une première prise de données qui a démarré en 2017 avec la participation à différentes étapes des chercheurs de l’Irfu et IN2P3. Les résultats des tests montrent une très bonne réponse de l’électronique et des systèmes cryogéniques. La valeur médiane en résolution en énergie prouve l’efficacité inégalée de cette technique de mesure de la radioactivité permettant de dissocier la désintégration beta de celle de type alpha, source de bruit de fond dans ces recherches.

 

Quelle est la masse des neutrinos ? Pour répondre à cette question fondamentale l'expérience KATRIN a été conçue et construite par une collaboration internationale au Karlsruhe Institute of Technology. Le 11 juin 2018 un colloque international a marqué le début de la prise de données. Les premiers spectres d’électrons issus de la désintégration du tritium ont été analysés par une chaine d’analyse développée à l’Irfu. Tout est conforme aux spécifications demandées et la première longue campagne de prise de données pour la physique peut démarrer.  Premiers résultats  attendus en 2020.

La quête des sources de rayons cosmiques, c’est à dire des particules hadroniques arrivant sur Terre avec des énergies tellement grandes qu’elles dépassent largement celles des collisionneurs créées par l'homme comme le LHC, est en cours depuis plusieurs décennies. Bien qu'étant ultra-relativistes, les rayons cosmiques sont déviés par les champs magnétiques présents dans tout l'Univers et leur direction d’arrivée sur la Terre ne nous renseigne donc plus sur leur origine. À ce jour, aucune source n’a pu être identifiée dans la distribution des directions d'arrivée des rayons cosmiques et le mécanisme d’accélération de ces particules reste encore une énigme.

Mais depuis quelques années, un nouvel angle d’attaque sur le mystère de l’origine des rayons cosmiques a été développé (par les physiciens de l’Irfu entre-autres): "l'astronomie multi-messager". Dans ces recherches, on utilise le fait que les interactions fondamentales créent des liens uniques entre différentes particules de haute énergie. Des observations combinées de divers messagers cosmiques pourraient en effet fournir les informations manquantes sur les phénomènes violents à l'origine des rayons cosmiques.

 

L’expérience STEREO a présenté ses premiers résultats de physique lors des 53èmes Rencontres de Moriond1. STEREO est un détecteur de neutrinos formé de six cellules de liquides scintillants qui mesure, depuis novembre 2016, les antineutrinos electroniques produits par le réacteur à haut flux de neutrons de Grenoble à 10 mètres du cœur du réacteur.

L’existence d’un quatrième état du neutrino, appelé neutrino stérile, pourrait expliquer le déficit du flux de neutrinos détecté à courte distance des réacteurs nucléaires par rapport à la valeur attendue. En effet cette anomalie pourrait résulter d’une oscillation à courte distance qui ferait que l'on détecte moins d'antineutrinos electroniques attendus car ils disparaitraient en neutrinos stériles.

Les premiers résultats obtenus en 2018 après 66 jours de données excluent une partie significative de l’espace des paramètres. L’expérience continuera jusqu’à fin 2019 à prendre des données. En multipliant par quatre la statistique et en réduisant au minimum les erreurs systématiques d’analyse, STEREO sera en mesure de trancher sur l’existence de cette 4ieme famille de neutrinos.

 

1 53rd Rencontres de Moriond Electroweak session https://indico.in2p3.fr/event/16579/

La collaboration T2K, dont le but est l’étude et la mesure des oscillations de neutrinos, publie de nouveaux résultats sur l’interaction des neutrinos avec les noyaux. Cette étude, dans laquelle le groupe T2K de l’Irfu joue un rôle prépondérant, est capitale dans la mesure où elle permet de contraindre l’incertitude dominante sur les paramètres d’oscillation. Pour la première fois les protons qui sortent de l’interaction neutrino-noyau ont été caractérisés en utilisant de nouvelles variables capables de mettre en évidence les effets nucléaires.

La collaboration internationale T2K, dans laquelle l’Irfu est fortement impliqué, annonce le 4 août 2017 de nouvelles indications d'une violation de la symétrie entre les neutrinos et les antineutrinos. T2K a analysé les données recueillies depuis 2010 jusqu'en 2017 : leurs nouveaux résultats, combinés avec les mesures d'oscillations de neutrinos de réacteurs, excluent que les neutrinos et les antineutrinos aient la même probabilité d'oscillations de saveur avec un niveau de confiance de 95% (2 écarts-type). Ce qui revient à dire qu’il y a 1 chance sur 20 que cette violation soit due à une fluctuation statistique. Après des améliorations sur le détecteur proche, en grande partie conçues et réalisées par l’Irfu, une nouvelle phase de prise de données (T2K-2) est prévue de 2021 à 2026, qui pourrait établir la violation de la symétrie CP à 3 écarts-type (99,7% de niveau de confiance).

 

 

Une des grandes questions en physique des particules est l’existence ou non d’une différence de comportement entre matière et antimatière. De grandes expériences sur faisceau de neutrinos testent cette violation de symétrie en observant leurs oscillations sur de très longues distances. Pour valider la nouvelle technologie de ces futures expériences, des prototypes de plus faibles volumes sont construits.

L'expérience WA105 au CERN, à laquelle participe l’Irfu, a observé en juin 2017 les premiers signaux de rayons cosmiques dans un détecteur à argon liquide de nouvelle génération. Ce prototype est une chambre à projection temporelle à argon liquide avec phase gazeuse permettant l’observation tridimensionnelle des produits d’interaction des neutrinos. Ce premier prototype (3x1x1 m3, 25 t d’argon liquide) va permettre de valider un certain nombre de choix techniques qui seront appliqués au démonstrateur WA105 de 300 t d’argon liquide (6x6x6 m3) qui prendra des données en 2018 avec un faisceau du Cern. La validation de cette nouvelle technologie est cruciale pour les futurs détecteurs (60x12x12 m3, 10 kt) de la prochaine expérience d'oscillation de neutrinos DUNE aux États-Unis dont le démarrage est prévu en 2026 et qui a démarré en juillet 2017 la construction de son laboratoire souterrain.

Au bout de quatre ans de recherche et développement, l’équipe du projet LUMINEU, préparant CUPID, le futur de la traque de la désintégration double beta sans émission de neutrino (0νββ) avec des bolomètres, élit le molybdate de lithium pour un démonstrateur. En 2016, pas moins de quatre publications décisives impliquant des chercheurs de l’Irfu couronnent ce travail et éclairent la voie à suivre.

 

La collaboration Double Chooz vient de présenter au CERN de nouveaux résultats fondés sur l’apport des données du détecteur « proche » localisé à 400 m des réacteurs nucléaires de Chooz. Ce détecteur permet désormais la mesure la plus précise de la section efficace des antineutrinos de réacteur, avec une incertitude de 1.2%. Par ailleurs les mesures concernant les oscillations de neutrinos ont été affinées.

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. 

La collaboration T2K a présenté de nouveaux résultats sur les oscillations des neutrinos à la 27ème Conférence sur la Physique du Neutrino (Neutrino 2016) à Londres. Les nouvelles données indiquent des probabilités d'oscillation différentes pour les neutrinos et les antineutrinos, une différence qui pourrait être liée à la violation de la symétrie de charge-parité. Les neutrinos pourraient ainsi détenir une des clés pour expliquer la différence entre matière et antimatière, une des questions les plus profondes sur l'évolution de l'Univers.

Lors des 51èmes Rencontres de Moriond (La Thuile, Italie) la collaboration Double Chooz a affiné sa mesure de la disparition d'antineutrinos en provenance du réacteur nucléaire de la centrale de Chooz dans les Ardennes. Ces nouveaux résultats sont fondés sur la comparaison des données du détecteur proche (400 m, 9 mois de données) et lointain (1.1 km, 2 ans de données). La nouvelle valeur mesurée est sin2(2θ13) = 0.111±0.018. Ainsi la sensibilité de l’expérience anticipée dans la lettre d’intention (2004) est déjà atteinte. Ces résultats seront encore améliorés avec plus de données. La nouvelle valeur de θ13 mesurée par Double Chooz dépasse celle de l’expérience Daya Bay, d’environ 30 %, se rapprochant ainsi de la valeur mesurée par les expériences T2K and NOvA exploitant les neutrinos issus d'accélérateurs de particules.

Pour mesurer les oscillations de neutrinos, l’expérience T2K, utilisant le faisceau de neutrinos produit par l’accélérateur du laboratoire JPARC au Japon, compare les nombres de neutrinos muoniques et électroniques interagissant avec un détecteur proche de ceux interagissant avec un détecteur lointain. Pour ce faire, il faut maîtriser précisément la probabilité d’interaction, ou section efficace, des neutrinos avec les nucléons (protons et neutrons) des noyaux constituant la cible des détecteurs. C’est ce que réalise le groupe T2K du SPP qui a mesuré la section efficace de la réaction (νμ + n → μ- + p+), mesure faite pour la première fois dans T2K en fonction de l'impulsion et de l'angle du muon. Ceci permet d’étudier précisément les « effets nucléaires », autrement dit le fait que le neutron cible n’est pas libre mais lié au cœur de noyaux atomiques. Les résultats, en cours de publication dans Physics Review D, ouvrent la voie dans T2K à la mesure des effets nucléaires dans les interactions neutrinos/nucléons. Effets qui constituent aujourd'hui la source d'incertitude systématique la plus importante pour les futures mesures d'oscillation de neutrinos.

Un livre blanc sur l’éventualité qu’un nouveau neutrino d’une masse de l’ordre du keV contribue à la mystérieuse matière noire vient tout juste de paraître. Ce recueil de presque 300 pages, dont Thierry Lasserre (DRF/Irfu/SPP) est l’un des quatre éditeurs, rassemble les contributions d’une centaine de chercheurs de 90 institutions. Il présente un état de l’art tant théorique qu’expérimental sur le sujet en intégrant les apports de tous les domaines concernés : physique des particules, physique nucléaire, astrophysique et cosmologie.

La collaboration Nucifer, rassemblant des physiciens du CEA de l’Irfu (DSM), de la DEN, de la DAM, de Subatech Nantes (CNRS) et du Max Planck Institut d'Heidelberg, publie le 21/09/2015 les premiers résultats de l’expérience (http://arxiv.org/abs/1509.05610) et démontre la faisabilité et l’efficacité de la « neutrinométrie » des réacteurs nucléaires au stade de pré-industrialisation. Nucifer fonctionne automatiquement, auprès du réacteur Osiris sur le centre de Saclay, et détecte les antineutrinos électroniques créés dans les chaînes de désintégration des produits de fission nucléaire comme attendu. La sensibilité à la composition isotopique du combustible  dans le cœur d’Osiris a été chiffrée. Ces premiers résultats sont prometteurs et pourraient à terme avoir une application au profit de l'AIEA (l’Agence Internationale de l’Energie Atomique).

A l’occasion de la conférence EPS-HEP 2013, grand rendez-vous de la physique des hautes énergies qui se déroule à Stockholm du 18 au 24 juillet, la collaboration internationale T2K, à laquelle participent des physiciens du CEA et du CNRS,  annonce la découverte d’un nouveau type d’oscillation de neutrino correspondant à la transformation d’un neutrino muonique en un neutrino électronique. En 2011, les physiciens de T2K avaient réussi à détecter un premier signal de ce type de transformation. Aujourd’hui, grâce à l’accumulation de nouvelles données, environ 3,5 fois supérieures à celles obtenues en 2011, les physiciens de l’expérience T2K apportent la preuve de l’existence d’un tel phénomène, avec une incertitude inférieure à une part sur mille milliards. Cette découverte établit pour la première fois de manière non ambigüe l’apparition, au point de détection, d’un neutrino de saveur bien définie (type électronique), différente de celle que le neutrino possédait au départ, au moment de sa création (type muonique).

Le détecteur Nucifer vient de détecter ses premiers neutrinos à Saclay auprès du réacteur Osiris. Fruit d’une collaboration de différentes directions du CEA (DSM, DEN et DAM), du CNRS et du Max Planck Institut für Kernphysik, il s’agit de l’expérience ‘neutrino’ la plus proche d’un cœur compact de réacteur nucléaire jamais réalisée.  Placé à quelques mètres d’un réacteur de recherche (Osiris) ou d’une dizaine de mètres d’un réacteur de puissance(Chooz), ce détecteur permet un suivi en temps réel de la composition du combustible, en particulier de la quantité de plutonium produite dans le cœur.

Il est considéré par  l’AIEA comme un démonstrateur pour la surveillance des futures installations nucléaires civiles.

Au-delà de l’application à la surveillance des centrales, premier objectif de ce projet, Nucifer pourrait aussi fournir un premier test de l’anomalie des antineutrinos de réacteurs . En effet, aucune expérience n’a jamais détecté de neutrinos à une si courte distance d’un cœur compact (seulement 7m !). Cette configuration est adaptée à la mise en évidence d’un nouvel hypothétique 4ème type de neutrino d’une masse proche d’un eV/c². Elle pourrait apporter des éléments nouveaux en réponse au déficit en antineutrinos observé par une vingtaine d’expériences depuis plusieurs décennies.

 

 

L’expérience T2K au Japon, à laquelle participent des physiciens de l’Irfu, vient de montrer qu’il existerait une symétrie de comportement entre le neutrino muon et le neutrino tau, deux des trois formes sous lesquelles les neutrinos peuvent exister successivement.


L’expérience T2K au Japon étudie le mécanisme d’oscillation quantique de
neutrinos, ces particules élémentaires qui existent sous trois formes ou saveurs :
électron, muon et tau. Il est possible de produire un neutrino d'une saveur et de
le détecter un peu plus loin sous une autre forme. L'ensemble de ces
transformations est régi par plusieurs angles, appelés encore angles de mélange.
Après avoir mesuré, pour la première fois en 2011, l’angle lié à l’apparition de
neutrinos électron à partir de neutrinos muon, T2K s’est attelé à la mesure de
l’angle reliant les neutrinos muon et tau (θ23). Depuis plusieurs années, les
théoriciens s'intéressent de près à ce paramètre très proche de la valeur de 45°,
dite de mélange maximal, qui suggère l'existence d'une symétrie entre le
neutrino muon et le neutrino tau. T2K vient d’effectuer la mesure de cet angle la
plus précise à ce jour, en confirmant sa valeur de 45°. Ce résultat a été obtenu
avec seulement 4% de la statistique qui sera accumulée à la fin de l’expérience.
T2K va donc encore améliorer la sensibilité de cette mesure et pourra enregistrer
d’éventuelles déviations de faible amplitude par rapport à la valeur de 45°. Il
appartient maintenant aux théoriciens de faire le meilleur usage possible de cette
valeur dans de nouveaux modèles de physique !
 

Le mardi 23 octobre 2012, au musée du quai Branly, le Prix La Recherche 2012 [1] dans la catégorie Physique a été décerné aux membres de l’expérience T2K  (Tokai to Kamioka) [2,3] au Japon, qui étudie les oscillations de neutrinos, pour les premiers résultats publiés en juin 2011 [4]. 

 

 

 

 

 

La 25e conférence internationale bisannuelle de physique des neutrinos vient de se tenir à Kyoto au Japon au début du mois de juin 2012. Les nouvelles mesures du troisième angle de mélange de la matrice des neutrinos, θ13, ont tenu la vedette et c’est une pluie fertile de résultats expérimentaux qui s’est abattue sur la conférence.

 

 

 

 

 

L'expérience T2K, à l'arrêt depuis le tremblement de terre de mars 2011, a redémarré sa prise de données à la mi-mars.

 

"C'est un véritable exploit d'avoir pu remettre en fonctionnement un système aussi complexe dans des conditions difficiles et nous devons tous féliciter nos collègues japonais, et en particulier les équipes chargées des opérations des différents accélérateurs de JPARC." déclare Marco Zito, reponsable de l'expérience T2K à l'Irfu.

 

Début janvier, ce fut l'heure du premier faisceau, et mi mars, l'expérience a repris le cours de sa vie en enregistrant à nouveau des données.

 

L'ensemble des accélérateurs avait repris ses activités, à très faible intensité, en décembre 2011. Pour cela, il aura fallu réaligner tous les aimants de l'anneau prinicpal ainsi que corriger la trajectoire du faisceau : le tremblement de terre a en effet provoqué une déformation du bâtiment qui abrite l'accélérateur linéaire.

 

Depuis, l'intensité sur la cible de T2K bat des nouveaux records avec 190 kW atteint le 12 avril. Cela laisse augurer d'une belle moisson de données pour la conférence Neutrino 2012 qui s'ouvrira à Kyoto en juin.

 

Avec les annonces récentes des expériences Daya Bay et RENO, la compétition internationale pour mesurer l'angle de mélange theta_13, et au delà la violation de CP dans les neutrinos, entre dans une nouvelle phase très passionnante.

 

contact Irfu:  Marco Zito

 

 

Le projet Double-Chooz a produit en fin 2011 le rapport technique de conception de son deuxième détecteur. C’est un document de référence qui définit chacun des lots techniques du détecteur et leurs interfaces. Ce document sous la coordination technique de l’Irfu est le fruit d'un travail des 35 instituts du projet, nécessitant de ce fait des échanges techniques efficaces. Une revue technique les 12 et 13 janvier 2012 à Saclay est venue parachever ce travail.  l’objectif est à présent d’assembler ce détecteur deux fois plus vite que le premier pour qu'il soit opérationnel début 2013.

 

Rappel du contexte de l'expérience

Le projet Double-Chooz, constitué de deux détecteurs identiques, a pour objectif de mesurer la valeur de l’angle de mélange θ13 caractérisant l’oscillation des anti-νe provenant des réacteurs nucléaires situés à la centrale de Chooz dans les Ardennes. Un premier détecteur (dit « lointain » car situé à 1 km des cœurs) a été réalisé et est en fonctionnement depuis plus d’un an maintenant (actualité de décembre 2010 ).

La réalisation d’un deuxième détecteur (dit « proche », à 400 m des cœurs) est nécessaire afin d’améliorer la qualité de la mesure en diminuant les erreurs systématiques.

 

D’autres expériences sont aussi en quête de la valeur de l’angle de mélange θ13. Le projet complémentaire T2K au Japon,  mais aussi deux expériences de conception très similaire à Double-Chooz, celles situées sur le site de Daya Bay (Chine) et RENO (Corée).

"Après la présentation des premiers résultats de Double Chooz en fin d’année 2011 (actualité de novembre 2011), il faut donc faire vite pour maintenir notre place dans la détermination précise de la valeur de θ13." assure Christian Veyssière, chef de projet de l'expérience Double chooz à l'Irfu.

 

 

L’hypothèse de l’existence d'un 4ieme neutrino, appelé neutrino stérile, pourrait être testée en détectant les neutrinos classiques émis par les désintégrations d’une source radioactive de quelques grammes de cérium-144. Dans un article publié dans Physical Review Letters, le groupe Double Chooz de l’Irfu propose d’installer une telle source au centre de grands détecteurs comme KamLAND, Borexino, SNO+, ou LENA.

 

Rappel du contexte:

En janvier 2011 le groupe Double Chooz de l’Irfu a publié des résultats surprenants sur le flux d’antineutrinos produits par la fission de l’uranium et du plutonium dans les réacteurs de centrales nucléaires [1]. Une réanalyse des expériences conduites ces trente dernières années auprès de réacteurs montre un déficit de 6% du nombre de neutrinos observés par rapport à ces nouvelles prédictions. C’est l’anomalie des antineutrinos de réacteur [2]. Cette anomalie pourrait s’expliquer par l’existence d’une nouvelle particule, un quatrième neutrino, alors que les physiciens n’en ont pour le moment référencé que trois. Ce neutrino ne serait sensible qu’à la gravitation et échapperait donc aux détecteurs de neutrinos classiques. Pour cette raison il est appelé neutrino stérile.

 

 

Les physiciens de la collaboration Double Chooz, parmi lesquels ceux de l’Irfu/CEA et de l’IN2P3/CNRS, ont observé la disparition d'antineutrinos en provenance du réacteur nucléaire de la centrale de Chooz dans les Ardennes. Les premiers résultats de cette expérience internationale ont été annoncés le 9 novembre lors d'une conférence à Séoul en Corée. Ils apportent un nouvel indice significatif de l'oscillation des neutrinos, cette aptitude qu'ont ces particules de changer de forme dans leur déplacement, et pourraient ouvrir des perspectives pour expliquer pourquoi l’antimatière a disparu de notre Univers.

 

 

Dans la nature, les neutrinos peuvent prendre trois formes possibles, ou  saveurs , suivant qu’ils sont associés à d’autres particules - un électron ou l’un des deux autres leptons , le muon ou le tau - . Au cours de leur déplacement, les neutrinos peuvent changer de saveur  en fonction de la distance parcourue. Ils peuvent ainsi se transformer en neutrinos électronique, muonique ou tauique. On parle de phénomène d’ oscillation .

Le résultat de  Double Chooz  apporte la troisième mesure manquante, appelée encore angle de mélange θ13(theta13), confirmant ainsi la disparition d’antineutrinos électroniques vers d’autres  saveurs .

La mesure de ces trois angles est cruciale pour comprendre la différence entre les oscillations de neutrinos et d’antineutrinos. Cette différence pourrait contribuer à comprendre celle existant entre la matière et l’antimatière de l’Univers et ainsi expliquer pourquoi l’Univers a « basculé » du côté de la matière.

 

"Ce troisème angle de mélange est la pièce manquante de ce mystèrieux puzzle des neutrinos. Sa mesure précise est la clé pour comprendre la nouvelle physique au delà du modèle standard et maintenant nous en sommes tout proche" témoigne Herve de Kerret (CNRS/In2p3) porte parole de la collaboration Double Chooz.

 



Antares(1) , télescope sous-marin immergé à 2500 mètres dans les abysses méditerranéens, scrute le ciel au travers de la Terre en détectant des neutrinos. Aujourd’hui plusieurs milliers d’entre eux ont été observés, permettant au télescope d’enquêter, comme jamais auparavant, sur la présence de sources de neutrinos de haute énergie dans la Voie lactée. L’expérience participe ainsi à la quête centenaire des origines du rayonnement cosmique.

  

Les neutrinos sont des particules qui interagissent très peu avec la matière. Émis dans les cataclysmes les plus violents de l’Univers, leur détection pourrait permettre de prouver que ces phénomènes sont à l’origine des particules du rayonnement cosmique. Ces dernières bombardent la Terre en permanence après avoir été déviées par les champs magnétiques interstellaires ou intergalactiques, ce qui empêche de déterminer leur origine.

Fin 2010, la collaboration Double Chooz a achevé la construction du détecteur de neutrinos situé à la centrale nucléaire de Chooz, dans les Ardennes. L’expérience est en prise de données depuis le 13 avril 2010 pour étudier les propriétés fondamentales de ces particules (presque) insaisissables. Début septembre, une première moisson de 4000 candidats-neutrinos vient d’être annoncée à la conférence TAUP 2011 à Munich.

 

 

 

Les physiciens de l’expérience T2K au Japon, parmi lesquels ceux du CEA/Irfu et du CNRS/IN2P3, observent pour la première fois une indication de la transformation de neutrinos muons en neutrinos électrons. Dans un ensemble de données collectées avant le tremblement de terre du 11 mars 2011, six neutrinos de saveur muon se seraient métamorphosés en neutrinos de saveur électron.

L’observation, probable à plus de 99%, de ce phénomène  constituerait une découverte majeure dans la compréhension de la physique des particules élémentaires et ouvrirait la voie à de nouvelles études sur l’asymétrie entre la matière et l’antimatière.

 



Le groupe Double Chooz de l’Irfu vient de publier des résultats surprenants sur le flux d’antineutrinos produits par la fission de l’uranium et du plutonium dans les réacteurs de centrales nucléaires. A l’aide d’une meilleure estimation de ce flux, un décalage de 3% par rapport aux prédictions qui ont fait référence depuis 25 ans a été mis en évidence. Si l’on réinterprète avec ce nouveau flux les résultats des expériences d’oscillations de neutrinos effectuées jusqu’à présent auprès des réacteurs, se révèle alors une « anomalie » significative dans l’ensemble des mesures passées. Le manque d’antineutrinos mesuré atteint près de 6%, car la révision du flux théorique vient renforcer l’effet d’un léger déficit présent dans l’ensemble des mesures. L’explication de cette anomalie par l’existence d’une nouvelle particule, un 4e neutrino « stérile », est une hypothèse qui va étonnamment dans le sens d’autres résultats indépendants. Ce 4e neutrino qui ne serait sensible qu’à la gravitation serait à rajouter au bestiaire du modèle standard de la physique des particules. Son existence aurait aussi des conséquences cosmologiques qui devront être confrontées aux observations. Mais la vérification irréfutable de l’existence de cette nouvelle particule passera par des mesures de flux de neutrinos à moins de dix mètres des cœurs de réacteurs. Ceci est à la portée des techniques actuelles des expériences de détection des neutrinos et tout particulièrement de Nucifer, un détecteur qui se prépare à prendre des données auprès du réacteur de recherche Osiris de Saclay.

Double Chooz est une expérience installée auprès du réacteur nucléaire de Chooz, dans les Ardennes françaises, dont le but est d'étudier les oscillations de neutrinos. Après plus de deux ans de construction du détecteur et son remplissage des 237 m3 d'huiles et de liquides scintillant, le premier détecteur de l'expérience Double Chooz est en prise de données depuis le 22 décembre 2010. Après une phase de réglage début 2011 la collaboration partira à la chasses aux neutrinos, pour une première moisson espérée mi-2011.

 

 

Le groupe de l'IRFU, impliquant le SPP (à l'initiative de l'expérience), le SPhN, le SIS, le Sedi, et le Lenac, a joué un rôle majeur dans le pilotage du projet et a contribué de façon significative à la conception, la réalisation, et l'intégration du détecteur:

 

Après avoir joué un rôle majeur dans la conception des détecteurs, l’IRFU a eu en charge la coordination technique de l’ensemble du projet au sein de la collaboration (140 physiciens & ingénieurs dans 8 pays et 35 instituts). Il a assuré également par la présence permanente d’un ingénieur sur le site, la coordination du montage des différents éléments du détecteur. Les dossiers de sécurité nécessaires à une installation de ce type (ICPE) ont été élaborés et suivi en lien avec l’ASN.

 

Des éléments clefs du détecteur ont été conçus par l’IRFU :

  • Deux enceintes acryliques et l’enceinte support des PM, et l'ensemble des cheminées
  • Un système de déploiement de sources de calibration
  • Le système de mesure du nombre de protons du volume de détection

De plus, une contribution importante de l’IRFU a été apportée autour des liquides,

  • que ce soit pour qualifier la compatibilité du liquide de la cible avec les matériaux utilisés,
  • caractériser et tester la stabilité des liquides scintillants,
  • ou bien encore concevoir et réaliser le remplissage des quatre volumes, ainsi qu'un système de thermalisation du détecteur.

Par ailleurs, l’IRFU a conçu et réalisé la salle blanche du laboratoire et a été un acteur majeur de son maintien à un niveau de propreté satisfaisant tout au long du montage.

 

Enfin, l’IRFU a assuré le relevé géodésique du détecteur.

 

contacts:

 

Thierry Lasserre

Christian Veyssière

 

 

  

En août 2010, au Cern (Genève), une équipe des physiciens du Sédi et du SPP, en collaboration avec un groupe de l'ETH-Zurich, a fait fonctionner avec succès et pour la première fois un détecteur Micromégas dans une chambre à projection temporelle à argon pur cryogénique (température de 87,2 kelvins).

 

 

 

 

Une chambre à projection temporelle (TPC) est un volume dans lequel les électrons d’ionisation produits par le passage de particules chargées sont guidés par un champ électrique uniforme et dérivent jusqu’aux détecteurs de lecture. Pour « lire » une TPC, il faut amplifier les signaux des électrons d’ionisation en bout de chambre, en provoquant des avalanches où se multiplient les électrons grâce à un fort champ électrique qui les accélère et crée donc une ionisation en cascade au voisinage de la cathode. 

 

Thierry Lasserre, physicien à l'Irfu, a reçu la médaille de bronze du CNRS du Palmares 2009

Le 14 avril, Thierry Lasserre a reçu la médaille de bronze du CNRS de la main de nouveau directeur de l'In2p3, Jacques Martino. Depuis 1954, le CNRS attribue chaque année  trois médailles à des chercheurs de renom ou à de jeunes scientifiques prometteurs. Celle de bronze récompense le premier travail d'un chercheur, qui fait de lui un spécialiste prometteur dans son domaine. Celui de Thierry Lasserre concerne la particule de matière la plus abondante de l'Univers : le neutrino.

 

 

Fin janvier 2010, au Japon, les détecteurs du projet Tokai to Superkamiokande (T2K, [ti:tu:kei]), développés à Saclay, ont observé leurs premiers neutrinos. Ces détecteurs sont constitués de deux grandes chambres permettant de reconstruire les traces de particules chargées et caractérisent le faisceau de neutrinos. Dans cette expérience, les neutrinos sont créés par un faisceau de protons issu de l'accélérateur de Tokai. Ces mêmes neutrinos sont mesurés 300 km plus loin, à Kamioka, dans une grande cuve d'eau de 40 m de diamètre et de hauteur, qui a précédemment servi à étudier les neutrinos provenant de l'interaction du rayonnement cosmique dans l'atmosphère et à prouver définitivement le phénomène d'oscillation (prix Nobel à Masatoshi Koshiba en 2002). Depuis, une première interaction de neutrinos en provenance de Tokai a été observée dès la fin février dans le détecteur de Kamioka, ce qui marque le début d'une phase très excitante sur la physique des neutrinos.

Une société vosgienne, NEOTEC, a recu le prix de la « réalisation exemplaire » 2009 pour la réalisation de cuves très spéciales, au salon international Midest, en présence du Ministre de l'industrie, Monsieur Christian Estrosi. La réalisation primée fait partie d'un élément important  de l'expérience  Double-Chooz qui mesurera, avant la fin de cette année, des neutrinos émis par le réacteur de la centrale nucléaire de Chooz dans les Ardennes.

 

 

Les enceintes acryliques : une belle mécanique de l'expérience Double-Chooz

 

Spécialisée depuis 1922 dans la vente et la transformation des matières plastiques l'entreprise NOVAPLEST-NEOTEC PLASTIQUE a réalisé pour le CEA quatre enceintes transparentes étanches en Plexiglas issu d'une fabrication spéciale, destinées à un projet de recherche de détection de neutrinos de réacteurs. Cette réalisation a été suivie par l'IRFU qui en a réalisé toute l'étude au sein de son service d'Ingénierie des systèmes (SIS) et du SPP (service de Physique des Particules). L'intégration a été réalisée par une équipe regroupant des personnes du SIS, du Sedi (Le service d'Electronique des Détecteurs et d'Informatique), et du SPP.

Depuis le 23 Avril 2009, le MSS (Magnet Safety System) est opérationnel au J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex, Tokaï, Japon).

  

Le MSS, conçu et réalisé par l'Irfu / SIS, protège 28 aimants supraconducteurs à fonctions combinées (dipôles et quadripôles). Ces aimants, parcourus par un courant de 4400 A, courbent un faisceau de protons selon un arc de 90 degrés, dans un tunnel de 150 m de long. Les protons sont destinés à produire des neutrinos envoyés vers le détecteur Super-Kamiokande, à 295 km à l'ouest de Tokai, en passant sous la surface de la terre.

  

En plus de ces 28 aimants, le MSS protège également 6 aimants de correction supraconducteurs (courant maximum = +/- 50 A).

  

Lorsque le MSS détecte une transition des aimants (un quench) ou un défaut sur leur circuit électrique, il commande la diminution du courant et la décharge de l'énergie stockée dans les bobines. Il empêche aussi les protons d'entrer dans la ligne de faisceau de T2K, dans un délai de 10 millisecondes.

 

Les équipes d'ingénieurs et de physiciens de l'Irfu ont réussi l'intégration de deux grandes chambres, permettant de reconstruire les traces de particules chargées. Ces chambres caractériseront le faisceau de neutrinos de l'expérience T2K (Tokai to Kamiokande). Ce sont les premières grandes chambres TPC équipées de détecteurs de type micro-structure (Micromegas). La surface de détection de l'ensemble est très importante (presque 9m²) et le nombre de canaux d'électronique en proportion (124000). L'Irfu a réalisé l'ensemble du système de détection des trois grandes chambres à échantillonnage temporel (TPC), comprenant 72 détecteurs Micromegas et toute l'électronique frontale. Une nouvelle puce (AFTER) et deux cartes électroniques, permettant de transmettre au système d'acquisition les signaux numérisés à travers un ensemble de 72 liens optiques gigabit ont été spécialement conçues par les ingénieurs du SEDI (service d'Electronique des Détecteurs et d'Informatique). Avant leur installation au Japon dès cet  automne, les deux chambres ont été testées, à TRIUMF (Canada), en février et juin. 

 

 

Les premiers tests en faisceau et avec des rayons cosmiques ont permis de reconstruire des traces avec la précision de l'information attendue. Il s'agit d'un jalon important dans la réalisation d'un détecteur clé pour l'expérience T2K.

La deuxième phase de l'expérience internationale Double Chooz a été officiellement lancée, mercredi 20 mai. La déclaration d'intention signée par les quatre partenaires (CEA, CNRS, EDF, région Champagne-Ardenne) est le premier pas essentiel vers la construction du second détecteur consacré aux recherches sur les neutrinos, auprès de la centrale nucléaire de Chooz.

Les participants avaient auparavant visité le site du premier détecteur, actuellement en construction. Il devrait détecter les premiers neutrinos issus de la centrale dès la fin de l'année et cherchera à mesurer une disparition de neutrinos issus du flux primaire.  Le second détecteur sera en opération dans deux ans. Il mesurera précisément le flux et le spectre en énergie des neutrinos émis et conduira à une importante amélioration du contrôle et de la précision des mesures.

 

L’expérience T2K (Tokai to Kamioka) située au Japon vise à mesurer les oscillations des neutrinos, étonnante propriété qu’ils ont de changer de type selon la distance parcourue. La collaboration internationale T2K vient de choisir d’équiper le détecteur « proche » de l’expérience, installé à Tokai, de chambres Micromegas, inventées au Dapnia. Il aura fallu un an de développements spécifiques et de tests aux ingénieurs-chercheurs et techniciens des services Sédi, SIS et SPP du Dapnia pour démontrer que Micromegas était le meilleur choix pour cette expérience.

 

Les neutrinos, postulés en 1930 et découverts en 1956, restent mystérieux par bien des côtés. On a pu néanmoins montrer qu’il en existe trois variétés (ou saveurs) associées aux trois leptons chargés connus : l’électron et ses deux partenaires plus lourds, le muon et le tau. Si les neutrinos ont une masse, la théorie prédit alors la possibilité de transition (ou oscillation) d’une saveur à l’autre. Les propriétés de ces oscillations sont fondamentales pour la théorie des constituants élémentaires de la matière, et pourraient jouer un rôle-clé dans l'ascendant pris par la matière sur l'antimatière au commencement de l'Univers. L’expérience japonaise K2K à laquelle participe le Dapnia vient récemment d’apporter une sérieuse confirmation de ces oscillations.

 

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