Département de Physique Nucléaire

La dernière pièce d'une longue aventure commencée en 2014 avec une expérience menée par l'Irfu et le RIKEN Nishina Center a été posée avec la publication d'un article contenant l'étude comparative de la corrélation dineutrons dans ¹¹Li, ¹⁴Be et ¹⁷B [1]. Cet article publié dans Phys. Lett. B complète une série de publications sur le sujet [2,3] issues de la même expérience utilisant le dispositif MINOS  conçu et construit à l'Irfu. Cette corrélation est proposée comme une caractéristique universelle des noyaux à halo borroméen.

La prédiction des propriétés nucléaires fondée sur une description réaliste de l'interaction forte est le principal objectif de la théorie nucléaire à basse énergie. L'un des problèmes réside dans le coût de la résolution de l'équation de Schrödinger qui augmente de façon exponentielle avec le nombre de nucléons. Par conséquent, les prédictions théoriques reponsant sur les premiers principes ont longtemps été limitées à des noyaux très légers, à des noyaux avec des nombres spécifiques de protons et de neutrons offrant des simplifications ou à leurs états fondamentaux. Bien que l'affranchissement de chacune de ces trois contraintes séparément soit en cours, leur dépassement simultané constitue actuellement un enjeu clé du domaine. En utilisant un nouveau formalisme à N corps [1] récemment développé par la collaboration PAN@CEA ("Problème à N corps au CEA") (DRF-DAM-DES), le calcul ab initio des excitations collectives, c'est-à-dire des rotations et des vibrations nucléaires, dans tous les noyaux de masse moyenne devient possible pour la première fois [2,3]. Ce travail ouvre la voie à des prédictions à grande échelle des propriétés nucléaires depuis les premiers principes.

Avec le projet CRAB les expériences de recherche de matière noire et de diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux vont pouvoir bénéficier d’une nouvelle technique de calibration précise à très basse énergie. Le défi à relever est de faire des mesures précises de recul de noyaux possédant une énergie de seulement quelques dizaines ou centaines d’électronvolts (eV) et de connaître la relation entre l’amplitude du signal mesurée et l’énergie qui a été déposée dans le détecteur par la particule incidente. A l'aide d'une réaction de capture avec des neutrons thermiques sur les noyaux constituant le détecteur cryogénique, les chercheurs ont réussi à générer des reculs nucléaires d’énergie connue pour caractériser la réponse de ces détecteurs. Ce principe de calibration vient d’être validé par la mesure d’un premier pic dans la gamme des 100 eV avec un détecteur cryogénique en CaWO4 de l’expérience NUCLEUS. L’ensemble de ces résultats est publié dans Phys. Rev. Lett. 130, 211802 (2023).

Un travail collaboratif entre les équipes de physique nucléaire de la DRF/Irfu et de la DES/ISAS et les équipes de physique du solide de DES/IRESNE est en cours pour étendre l’application de la méthode CRAB à de plus larges gammes d’énergie et de matériaux de détecteur.

Grâce à la haute précision des mesures à venir auprès du réacteur TRIGA à Vienne (Autriche) CRAB devrait permettre d'aller au-delà de la seule calibration des détecteurs cryogéniques et fournir des tests inédits des modèles de physique nucléaire et de la physique de la matière condensée.

Un beau programme attend la deuxième phase du projet !

Les anomalies des antineutrinos de réacteur sont une énigme en physique du neutrino qui dure depuis une dizaine d’années. Elles se manifestent par des déviations de l’ordre de quelques pourcents entre les mesures et les prédictions. Ces déviations ont été observées dans le nombre d’antineutrinos mesurés par plus d’une dizaine d’expériences auprès de réacteurs nucléaires, et dans la forme des distributions en énergie cinétique, par les sept plus récentes. Elles auraient pu être la voie vers une nouvelle physique au-delà du modèle standard, mais les expériences récentes, dont l’expérience STEREO portée par l’Irfu, ont refermé cette porte.

Dans un travail qui vient d’être publié dans Physical Review Letter [1], une équipe composée de physiciens de l’Irfu et du Laboratoire National Henri Becquerel de DRT a mis en évidence que ces anomalies pourraient provenir de biais dans les mesures d’électrons de fission ayant servi de référence à la prédiction. Ils ont développé un modèle de fonction force bêta permettant de réduire les biais dans le calcul des spectres d'énergie des électrons issus de la fission de noyaux fissiles des réacteurs. Les deux "anomalies" sur le flux des antineutrinos et la "bosse" à 5 MeV dans le spectre d'energie des antineutrinos sont désormais reproduits par leur modèle. Ceci permet donc de proposer une explication pour résoudre une énigme de plus de 10 ans.

Les résultats finaux de l’expérience Stereo viennent d’être publiés dans le journal Nature. Un record de précision est établi pour le spectre des neutrinos émis par la fission de ²³⁵U, mesuré entre 9 et 11m de distance du cœur du réacteur de l’ILL à Grenoble. L’hypothèse d’un neutrino stérile pour expliquer l’anomalie des neutrinos de réacteur est rejetée. La qualité de ces mesures directes en neutrino surpasse à présent celles des données nucléaires sous-jacentes qui décrivent les désintégrations bêta des produits de fissions. Stereo fournit à la communauté un spectre neutrino de fission corrigé de tous les effets de détection, qui servira de référence aux prochaines expériences auprès des réacteurs et qui pointe les biais résiduels des bases de données nucléaires.

L’expérience Stereo vient de boucler une belle aventure scientifique qui commence en 2011 avec la révélation par le groupe de l’Irfu de « l’anomalie des antineutrinos de réacteurs ». Les physiciens se retrouvaient avec un déficit significatif de 6% entre le flux de neutrinos mesuré auprès des réacteurs et le flux prédit. L’histoire des sciences nous a assez enseigné la potentielle richesse des nouveaux phénomènes qui peut se cacher derrière une anomalie. En l’occurrence ce qui se tramait ici était l’existence possible d’un nouveau type de neutrino qui ouvrirait un secteur de physique au-delà du modèle standard. Sans aucune interaction directe avec la matière, ce neutrino, qualifié de « stérile », pourrait cependant se mélanger avec les neutrinos « standards» et trahir ainsi son existence à travers … un déficit de taux de comptage dans nos détecteurs.

En collaboration avec l’université de Glasgow (Écosse), des physiciens du DPhN viennent de publier des mesures d’asymétrie de spin de faisceau d’électrons pour le processus de diffusion Compton profondément virtuelle à partir de données collectées avec le spectromètre CLAS12. Cette mesure renseignera sur la position des quarks dans les protons en fonction de leur impulsion liée aux mécanismes de l’interaction forte à l’origine de la stabilité du proton [1].

Le laboratoire Thomas Jefferson (Virginie, USA) abrite l'accélérateur d’électrons « Continuous Electron Beam Accelerator Facility » (CEBAF), qui est l'un des plus intenses du monde pour l'étude des particules élémentaires constituant les protons que sont les quarks et gluons (Figure 1).

Le CEA et le DOE entretiennent une longue et fructueuse collaboration dans de nombreux domaines, notamment la fusion, la physique des hautes énergies et la physique nucléaire avec des projets en cours réunissant les deux organismes sur ces différents domaines.

Lundi 13 novembre 2023, le CEA et le DOE ont signé une déclaration d'intention pour renforcer leur collaboration dans le domaine de la science et de la technologie des accélérateurs et des détecteurs, en vue de la construction du collisionneur électron-ion (EIC) basé au Brookhaven National Laboratory.