Après des tests concluants des détecteurs et une première campagne de mesure des bruits de fond au laboratoire souterrain de l’Université technique de Munich (TUM), les premiers éléments clés de l’expérience — les blindages passifs et le véto muons, conçus et réalisés sous la responsabilité de l’Irfu — ont été démontés, transportés, puis réassemblés dans le sous-sol du bâtiment inter-tranches du Centre Nucléaire de Production d’Électricité (CNPE) de Chooz. Malgré des contraintes d’accès et d’espace particulièrement exigeantes, toutes les étapes de cette opération délicate se sont déroulées avec rigueur et efficacité. Ce cocon de protection, désormais en place, est prêt à accueillir d’ici la fin de l’année le cryostat abritant le cœur de l’expérience : les détecteurs cryogéniques.
L’expérience NUCLEUS [1] vise à détecter les antineutrinos de réacteur via un processus d’interaction rare : la diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux (CEvNS). Pour cela, elle utilise des calorimètres cryogéniques constitués de cristaux de CaWO4, qui convertissent l’énergie déposée par le recul d’un noyau de tungstène en une infime élévation de température. Cette variation thermique est mesurée avec une extrême précision par un capteur à transition supraconductrice (TES), lu par une électronique utilisant des SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). L’ensemble du dispositif est maintenu à une température de 10 millikelvins grâce à un cryostat dédié.
Ce niveau de sensibilité permet de détecter des énergies aussi faibles que 100 eV, mais rend également les détecteurs vulnérables à la moindre perturbation, qu’elle soit environnementale (radioactivité ambiante, neutrons, muons atmosphériques) ou instrumentale (vibrations, câblage, connectique). Pour garantir un environnement le moins bruité possible, un système de blindages passifs et actifs a été mis en place, à l’intérieur comme à l’extérieur du cryostat.
Comme présenté dans un premier fait marquant en février 2025, l’expérience a d’abord été installée en 2023 au laboratoire souterrain de TUM, où les blindages et le véto muons ont été testés, ainsi que les premiers détecteurs (voir Figure 1). Ces éléments ont depuis été transférés et réassemblés à Chooz, marquant une étape cruciale vers la mise en service complète de l’expérience.
L’expérience NUCLEUS a été installée dans le Very Near Site (VNS), situé au sous-sol du Bâtiment Inter-Tranches du CNPE de Chooz. Ce local, initialement dédié à l’archivage, a été entièrement réaménagé sous la direction de l’Irfu, et plus particulièrement du DIS, pour répondre aux exigences de l’expérience (Figure 1) :
- Renforcement du sol par une dalle en béton capable de supporter les rails et les 5 tonnes de blindage
- Installation d’un groupe froid avec une boucle de circulation d’eau dédiée pour le compresseur du cryostat, situé dans une pièce attenante
- Refonte complète de l’installation électrique, pour alimenter le cryostat, les modules de contrôle, les détecteurs et l’électronique d’acquisition
- Mise en place d’une fibre optique reliant le VNS à l’extérieur de la centrale, assurant le transfert quotidien de données (environ 5 To/jour)
- Pilotage à distance possible depuis une salle de contrôle aménagée dans les bureaux du CEA à l’extérieur du CNPE
Les composants transférés à Chooz correspondent en grande partie aux livrables sous responsabilité de l’Irfu (Figure 2), notamment les blindages passifs externes et le système de véto muons. Le DIS a assuré la conception et le suivi de fabrication des éléments suivants :
- Les rails supportant les deux demi-chariots de blindage
- Les demi-chariots eux-mêmes, portant la structure métallique et le blindage en plomb
- Le polyéthylène haute densité dopé au bore, utilisé pour l’atténuation des neutrons, récupéré de l’expérience STEREO
- Les 22 modules du véto muons, essentiels pour rejeter les événements induits par les muons cosmiques, fabriqués à partir de scintillateurs plastiques récupérés de l’expérience CAMERA
- Les outillages spécifiques pour la manipulation et l’installation des blindages
Le transport des pièces de plomb, non empilables pour des raisons de sécurité et d’intégrité, a nécessité deux semi-remorques et un transbordement à mi-parcours, l’accès au CNPE étant réservé à des conducteurs habilités. Mais le véritable défi résidait dans l’intégration des éléments dans un local exigu, situé en sous-sol, avec un accès limité (Figure 3). Chaque étape de la manutention a dû être planifiée au millimètre, après des mois de préparation pour garantir l’ouverture de la trappe et la conformité du chantier aux normes de sécurité EDF. L’équipe NUCLEUS (5 personnes), sous la houlette du DEDIP, a ensuite mobilisé une semaine supplémentaire pour assembler et ajuster les blindages dans cet environnement contraint.
Figure 4 : Vue de la structure et des outillages (gauche). Exemple d’utilisation d’un outillage de manutention pour le passage de l’une des pièces à travers la porte d’entrée du local (droite).
Une seconde équipe est récemment intervenue pour la mise en service du système de veto muons (voir Figure 2). Ce dispositif a pour rôle d’empêcher l’enregistrement des signaux produits par les muons traversant le volume des détecteurs cryogéniques, ceux-ci pouvant imiter les reculs de noyaux recherchés et constituant ainsi une source majeure de bruit de fond à éliminer. L’acquisition des données est donc interrompue dès qu’un muon est détecté en coïncidence dans les panneaux entourant l’expérience, ce qui induit un temps mort d’environ 10 %.
Les panneaux détectent déjà des muons (Figure 5) et les données sont actuellement en cours d’analyse. Les premiers résultats indiquent un taux de détection de 312 Hz, en bon accord avec les prédictions issues de la simulation (325 Hz). Par ailleurs, une atténuation d’un facteur 1,6 est observée à Chooz par rapport au laboratoire souterrain de TUM, le VNS étant situé à une profondeur moindre que ce dernier.
Avec les blindages et le véto opérationnels, NUCLEUS est prêt à entrer dans sa dernière phase d’installation d’ici fin 2025 : la mise en place du cryostat et des détecteurs cryogéniques. Ces derniers sont en cours de finalisation à TUM et permettront de traquer les antineutrinos avec une sensibilité inédite.
Contacts :
Hubert Neyrial (Irfu/DIS)
Fabien Jeanneau (Irfu/DEDIP)
Références :
[1] Angloher, G et al. Eur. Phys. J. C 79, 1018 (2019).
[2] V. Wagner et al 2022 JINST 17 T05020