Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

STEREO
STErile REactor Oscillation experiment
STEREO

Figure 1: Illustration des oscillations successives des neutrinos de réacteur en fonctions de leur distance parcourue. Un neutrino stérile de 1eV induirait une nouvelle oscillation dès les premiers m, qui viendrait se superposer aux oscillation déjà connues des secteurs "solaire" (à 60 km) et "atmosphérique" (à 1 km).

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":

 
STEREO

Figure 2: Vue en coupe du réacteur à haut flux de l'ILL avec le détecteur Stereo positionné sous le canal d'eau.

  au réacteur de l'ILL-Grenoble

La source de neutrinos utilisée par Stereo est le réacteur de recherche de l'Institut Laue-Langevin (ILL) de Grenoble. La puissance thermique libérée par le coeur est de 57 MW ce qui correspond à environ 1019 neutrinos émis par seconde. De plus, ce réacteur étant concu pour accueillir des expériences il est possible de s'installer très proche (10 m) de cette source très intense. Un autre avantage de la configuration du réacteur est un coeur très compact, un cylindre de 80 cm de haut et 40 cm de diamètre, qui permet de rester sensible aux oscillations recherchées dont la longueur d'onde va de 1 à quelques mètres. 

La principale difficulté de la mesure réside dans la lutte contre les bruits de fond, induits par le fonctionnement du réacteur ainsi que par le rayonnement cosmique naturel. Un important blindage a donc été déployé autour de la partie active du détecteur et une protection supplémentaire est apportée en s'installant sous le canal de transfer des éléments combustbles, constitué de 2 m de béton et 6 m d'eau.

L'ensemble du dispositif a été certifié résistant au feu et aux séismes et à reçu l'accord de l'Autorité de Sureté Nucléaire. L'expérience prend des données depuis Nov. 2016. Une première phase d'environ 70 jours à puissance nominale et environ 25 jours à l'arrêt a été effectuée. Une 2e phase a demarrée en Oct 2017 après une longue période de maintenance du réacteur. La prise de données est prévue jusqu'à mi-2019. 

Si aucun motif d'oscillation n'est détecté ni par Stereo ni par les autres expériences, il faudra comprendre l'origine du désaccord entre les taux de neutrinos prédits et détectés. La mesure de Stereo reste intéressante dans ce contexte puisqu'elle testera la forme et la normalisation du spectre en énergie des neutrinos émis uniquement par les fissions de 235U. Le combustible de l'ILL est en effet très enrichi (93%) en cet isotope, contrairement aux réacteurs commerciaux enrichis à environ 4% dont une fraction non négligeable des fissions proviennent aussi des isotopes 239Pu, 238U et 241Pu.

 
STEREO

Figure 3: vue coupe du détecteur Stereo avec les cellules centrales de la cible entourées de leur blindages successifs et surmontées de la cuve d'eau du veto muon.

Concept du détecteur

Dans la partie la plus interne de Stereo, la détection des neutrinos se fait dans du liquide scintillant (LS). Ce milieu riche en hydrogène est utilisé pour détecter le processus dit β-inverse dans lequel l'interaction d'un neutrino avec un proton produit un positron et un neutron: ν+ p → e+ n. Le recul du positron produit un signal lumineux dans le LS dont l'intensité permet de connaître l'énergie du neutrino incident. Le neutron quant à lui est émis avec peu d'énergie et quelques μs après le positron il se fera capturer par un des atomes de Gadolinium (Gd), dilués dans le LS à cet effet. Cette capture retardée génère une cascade de rayons-γ d'énergie totale 8 MeV. La combinaison avec le signal positron en fait une signature très discriminate du neutrino, cruciale pour combattre les bruits de fond.

Le liquide dopé au Gd est réparti dans 6 cellules cibles identiques. Les parois de ces cellules sont constituées de sandwichs de plaques acryliques contenant une feuille de VM2000 et un filet nylon pour maintenir un gap d'air. Cet assemblage forme un miroir très réfléchissant qui permet de collecter la lumière émise dans chaque cellule vers des photomultiplicateurs (PM) situés en partie supérieure (4 PMs par cellule). Les 6 cellules forment un aquarium central, entouré d'une couronne de liquide non-dopé au Gd. Cette courrone permet de récupérer des rayons-γ s'échapant des cellules (amélioration de la résolution en énergie) et de rejeter une importante fraction du bruit de fond provenant de l'extérieur. L'ensemble des cellules acryliques et la cuve inox les contenant a été conçu à l'Irfu. Cette partie interne est entourée de plusieurs couches de blindage pour s'affranchir des neutrons (polyéthylène), des rayons-γ (plomb), des muons (Cerenkov à eau) et des champs magnétiques extérieurs (mu-metal et fer doux), voir figure 3. 

Si le neutrino stérile existe, il signera sa présence par des différences de forme entre les spectres en énergie de chaque cellule.

 

 

Contributions Irfu


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.
 

collaboration Stereo 


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.

 

 

 

 

 

Maj : 29/03/2018 (4248)

 

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