Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

27 mars 2018
STEREO met la pression sur l’existence d’un 4ème neutrino
STEREO met la pression sur l’existence d’un 4ème neutrino

STEREO est un détecteur de neutrinos formé de six cellules de liquides scintillants qui prend des données à 10 m du réacteur à haut flux de neutrons de Grenoble (ILL)

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/

 
STEREO met la pression sur l’existence d’un 4ème neutrino

Figure 1: dans le cas des neutrinos émis par les réacteurs nucléaires, un déficit a été 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). L’existence d’un neutrino stérile pourrait expliquer ce déficit.

Les neutrinos stériles

Alors qu’ils sont parmi les particules les plus abondantes de l’univers, les neutrinos sont extrêmement difficiles à détecter. Ils prennent naissance au cœur des étoiles ou au sein des phénomènes les plus violents de notre univers, mais peuvent aussi être produits par des accélérateurs de particules ou, comme dans le cas de l’expérience STEREO, dans le cœur des réacteurs nucléaires.

Les neutrinos ne possèdent pas de charge électrique et n’interagissent que très faiblement avec la matière. Aujourd’hui nous en connaissons 3 types ou saveurs : le neutrino électronique, le neutrino muonique et le neutrino tauique. Une étonnante découverte, faite il y a 20 ans, a montré que les neutrinos pouvaient changer de saveur, c’est à dire se transformer d’une saveur à l’autre lors de leur propagation. Ce phénomène, appelé « oscillation de neutrinos » a été récompensé par le prix Nobel de Physique en 2015.

 

Existe-t-il plus de 3 types de neutrinos ?

L’engouement autour de cette question a connu un nouvel élan en 2011 lorsque des chercheurs2 remarquèrent que deux séries de résultats expérimentaux jusque-là inexpliqués pouvaient être interprétés par la transformation des neutrinos vers un 4ème type de neutrino encore jamais observé (figure 1). 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.

Ce neutrino, dit “stérile” car sans interaction directe avec la matière, aurait une masse autour de l’eV, bien plus importante que celle des trois autres neutrinos déjà connus et sa découverte serait une avancée majeure en physique des particules. Plusieurs expériences, dont STEREO, ont pour but de confirmer ou infirmer cette hypothèse.

2 G. Mention et al, Phys. Rev. D83 (2011) 073006, Th. A. Mueller et al, Phys.Rev. C83 (2011) 054615

 
STEREO met la pression sur l’existence d’un 4ème neutrino

Les six cellules de Stereo sont larges de 40 cm, ce qui permet de suivre l’oscillation des neutrinos sur 2,4 m

STEREO : une expérience au plus proche des réacteurs

Ce projet consiste à mesurer l’oscillation des antineutrinos électroniques avec un détecteur segmenté en six cellules, placé à environ 10 m du cœur du réacteur à haut flux de neutron de Grenoble. Les six cellules de Stereo sont larges de 40 cm, ce qui permet de suivre l’oscillation des neutrinos sur 2,4 m. La technologie de détection des antineutrinos emploie des liquides scintillants dopés au Gadolinium, comme c’est le cas pour les détecteurs de Double Chooz et Nucifer. La capture d’un neutrino par un atome d’hydrogène du liquide donne lieu à l’émission d’un positron et d’un neutron retardé de quelques dizaines de microsecondes. Depuis fin 2016, les données sont en cours d’acquisition avec la détection de près de 400 antineutrinos chaque jour. Les premiers résultats obtenus en 2018 après 66 jours de données excluent une partie significative de l’espace des paramètres.

L’IRFU par le biais des départements de physique nucléaire (DPhN), du département d’ingénierie des systèmes (DIS) mais aussi du département d’électronique des détecteurs pour la physique (DEDIP) est particulièrement impliqué dans ce projet avec la responsabilité du cœur de STEREO: la cuve du détecteur interne et sa division en cellules par des parois réfléchissantes en acrylique.

STEREO est une expérience franco-allemande observant les neutrinos issus du cœur du réacteur nucléaire de recherche de l’Institut Laue-Langevin à Grenoble. L’expérience a été conçue et mise en œuvre par les groupes de recherche et les services techniques de l’Irfu-CEA de Saclay, de l’Institut Laue-Langevin (ILL), du Laboratoire d’Annecy de Physique des Particules (LAPP), du Laboratoire de Physique Subatomique et Cosmologie (LPSC) de Grenoble et du Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) de Heidelberg, Allemagne.

 

 
STEREO met la pression sur l’existence d’un 4ème neutrino

Les valeurs possibles des paramètres du 4ème neutrino sont délimitées par les courbes noires, avec une étoile marquant le cas le plus vraisemblable.. L’axe vertical est relié à sa masse et l’axe horizontal à l’amplitude de son mélange avec les neutrinos émis par le réacteur. Les régions en rouge et vert sont rejetées par les mesures de l’expérience STEREO, avec différents degrés de certitude (95% et 90%). La région en bleue représente la sensibilité théorique de rejection de l’expérience STEREO pour une précision statistique correspondant à 66 jours de données.

Des résultats qui affaiblissent les neutrinos stériles

Les premiers résultats de l’expérience STEREO présentés lors des Rencontres de Moriond excluent une partie significative de l’espace des paramètres attendu pour l’existence d’un hypothétique 4ème neutrino (voir Figure 2), mais la quête mondiale au neutrino stérile continue.

STEREO va en effet gagner en précision en accumulant 4 fois plus de données d’ici la fin de l’année 2019 et les projets concurrents actuellement en cours vont apporter un éclairage complémentaire sur cet hypothétique 4ème neutrino.

Grâce aux caractéristiques du cœur du réacteur de l’ILL, hautement enrichi en 235U, l’expérience STEREO pourra aussi fournir une nouvelle mesure du spectre des neutrinos émis par la fission de cet isotope, très importante pour l’ensemble des expériences neutrino auprès des réacteurs.

 

Contact Irfu : David Lhuillier (DPHN), Caroline Lahonde-Hamdoun (DEDIP)

 

 

Le projet STEREO est soutenu financièrement par

  • l’Agence nationale de la recherche (ANR) pour la période 2013-2017 (incluant une phase d’études et construction qui aura duré 3 ans puis la phase actuelle d’exploitation),
  • mais aussi en France par le CNRS, l’UGA, le CEA et l’Institut Laue-Langevin (ILL,  Grenoble) ;
  • en Allemagne par l’Institut Max Plank.
  • Le projet bénéficie également du soutien des labex ENIGMASS et P2IO pour l’accueil de post-doctorants et de stagiaires.
 

Maj : 28/03/2018 (4310)

 

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