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.
L’anomalie des antineutrinos de réacteur un an après sa découverte
Les neutrinos sont des particules de l’infiniment petit émises en abondance dans de nombreux phénomènes comme la radioactivité naturelle ou la fusion de l’hydrogène au cœur du Soleil. Les physiciens des particules en ont référencé de trois sortes -on dit de trois saveurs- respectivement associées à l’électron, et à deux particules similaires mais plus lourdes, le muon et le tau. Les recherches conduites depuis plusieurs décennies ont montré qu’un neutrino se propage sous la forme d’une combinaison de ces trois saveurs, variable avec la distance: c’est le phénomène d’oscillation des neutrinos. Un appareil expérimental placé près d’une source émettant par exemple des neutrino-électrons, et prévu pour détecter ces mêmes neutrinos, peut ne détecter qu’une fraction du flux, la partie ayant oscillé en neutrino-muon ou en neutrino-tau lui échappant.
Avec une baisse de 6% du flux de neutrinos observés, l’anomalie des antineutrinos de réacteur pourrait s’expliquer par l’existence d’un nouveau neutrino vers lequel une partie du flux initial aurait oscillé. Ce neutrino serait resté inconnu jusqu’alors car « stérile », c’est–à-dire n’interagissant avec la matière que par gravitation. Cette hypothèse est renforcée par une autre anomalie dans le comptage de neutrinos, similaire, observée dans les étalonnages des expériences Gallex et Sage détectant les neutrinos solaires, conduites dans les années 1990.
On sait déjà que la masse du neutrino stérile doit être bien plus élevée que les trois autres [2]. Des expériences auprès de réacteurs sont en cours (comme l’expérience Nucifer proposée par le groupe Double Chooz), tandis que d’autres projets sur faisceaux de neutrinos sont à l’étude au laboratoire européen de physique des particules, le CERN, à Genève et au laboratoire Fermilab, près de Chicago. Mais une indication supplémentaire de l’existence de cette nouvelle particule, ainsi que de ses propriétés, pourrait se faire grâce à une source radioactive de quelques grammes de cérium-144, une idée tout juste publiée par le groupe de l’Irfu dans Physical Review Letters [4].
Figure 1: Vue d’artiste de l’expérience propo-sée par le groupe Double Chooz de l’Irfu. Une source de 15 g de 144Ce est installée au centre d’un grand détecteur à liquide scintillant. La source est encapsulée à l’intérieur d’un blindage de 35 cm d’épaisseur composé de tungstène et de cuivre. Un quatrième neutrino, tel que celui qui pourrait expliquer l’anomalie des antineutrinos de réacteur, se révélerait par une variation sinusoïdale du nombre de neutrino détecté en fonction de la distance à la source, avec une longueur d’oscillation de l’ordre du mètre comme illustré par la courbe rouge (Image: L. Scola).
Le concept : déployer un générateur d’antineutrinos au centre d’un grand détecteur à liquide scintillant
Par définition un neutrino stérile ne peut pas induire une interaction permettant sa détection directe. Il pourrait néanmoins se joindre aux trois autres dans le phénomène d’oscillation. L’effet expérimental de sa présence serait une diminution caractéristique du nombre d’interactions des neutrinos « ordinaires », variable selon leur énergie ou la distance à laquelle ils sont détectés. Ainsi, si le neutrino stérile existe, le nombre d’antineutrinos du cérium détecté devrait présenter une modulation spatiale de quelques pour cent d’amplitude sur un parcours de quelques mètres !
D’où l’idée de placer une telle source au centre d'un détecteur sphérique à scintillateur liquide (voir figure 1), afin de déterminer les variations du taux de détection en fonction de la distance à la source (courbe rouge de la figure 1). La variation attendue a une période inversement proportionnelle au carré de la masse du neutrino stérile, tandis que l’amplitude du phénomène est reliée à la force (angle de mélange) avec laquelle le quatrième neutrino se mélange aux trois autres.
Le défi : obtenir 15 grammes de 144Ce
Le cérium-144 choisi par le groupe de l’Irfu est un noyau émetteur d’antineutrinos de plus de 1,8 MeV d’énergie (seuil de la réaction de détection), et ayant une durée de vie suffisamment longue pour permettre sa production, son transport et la mesure. Ce noyau est abondant dans les produits de fission de l’uranium 235 (5%) et du plutonium 239 (3%) et des techniques de chimie chaude existent déjà pour l'isoler avec une pureté suffisante. L'activité de la source requise pour l’expérience est de 1,85 PBq (1,85·1012 Bq ou 50 KCi) afin d’obtenir 40000 interactions par an. C’est une activité 20 à 200 fois plus faibles que ce qui est habituellement requis dans ce genre d’expérience! Pour y parvenir seulement 15 g de cérium-144 sont nécessaires, mais il semble inévitable de l’obtenir mélangé avec d'autres isotopes de cérium, pour une masse totale de l’ordre d’un kilogramme. La signature de cette réaction, couplée à l’utilisation d’un grand détecteur à liquide scintillant, permettrait de réaliser une expérience exempte de tout bruit de fond, sous condition d’isoler la source derrière un blindage pour diminuer ses émissions radioactives (une sphère de tungstène et de cuivre de l’ordre de 80 cm de diamètre, voir figure 2).
Figure 2: Schéma de la source d’antineutrinos électroniques consti-tuée de 15 g de 144Ce (sphère verte) représentant une activité d’environ 50 kCi, soit 1,85 PBq, disposée au centre d’un blindage de 33 cm de tungstène (rose) et de 2 cm de cuivre (bleu). Un système d’accrochage (en violet) permettra d’évacuer la chaleur résiduelle de la source estimée à quelques centaines de watts (Image: L. Scola).
Où en est-on ?
Le concept présenté ci-dessus a été publié dans Physical Review Letters au mois de novembre [3]. Des discussions vont bon train avec les collaborations possédant les détecteurs qui permettraient d’accueillir cette expérience. Le groupe de l’Irfu vient d’ailleurs de s’associer avec les physiciens de l’Université de Tohoku (Japon) dans d’une étude de faisabilité avec le détecteur KamLAND. Ce projet nécessitera par ailleurs un soutien important d’ingénieurs de sécurité qui apporteront leur expertise, dès la conception, sur les aspects de sureté et de sécurité relatifs à la production, au transport, et au déploiement de la source, ainsi qu’à son démantèlement.
Contacts:
Th. Lasserre, M. Cribier, D. Lhuillier
Références
[1] Th. A. Mueller et al., Phys. Rev. C83 (2011) 054615
[2] G. Mention et al., Phys. Rev. D 83, 073006 (2011)
[3] M. Cribier et al., Phys. Rev. Lett. 107, 201801 (2011)
[4] Livret Blanc sur la recherche de neutrinos stériles (en préparation : http://cnp.phys.vt.edu/white_paper/)
[5] D.A. Dwyer, et al., arXiv:1109.6036v1
• Constituants élémentaires et symétries fondamentales › Physique des neutrinos
• Le Département de Physique des Particules (DPhP) • Le Département de Physique Nucléaire (DPhN)
• Double-Chooz • A proposed search for a fourth neutrino with a PBq antineutrino source
