Département de Physique des Particules

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.

Pour révéler l’influence des composantes sombres de l'Univers, Euclid va, au cours des six prochaines années observer les formes, les distances et les mouvements de milliards de galaxies. Cette cartographie s’étendra sur des époques remontant aux 10 derniers milliards d’années de l’histoire cosmique afin de mieux comprendre où, quand et comment agissent l'énergie et la matière sombres, deux composantes clefs de l'univers encore mystérieuses.

En prélude à la mission, il a été décidé d’illustrer les capacités scientifiques et instrumentales du satellite à travers une série d’images de l’Univers proche. Jean-Charles Cuillandre, astronome au département d’astrophysique du CEA-Irfu a mené cette campagne « ERO » (Early Release Observations) de plusieurs mois, avec un groupe de scientifiques de la collaboration Euclid et de l’ESA, depuis le choix des cinq sources astrophysiques jusqu’au traitement des images, des données brutes aux images analysées et combinant les réponses des instruments VIS (lumière visible) et NISP (en infrarouge proche).

L'Univers est immensément grand, et il le devient de plus en plus. Pour étudier l'énergie noire, la force mystérieuse à l'origine de l'accélération de l'expansion de notre Univers, les scientifiques utilisent le grand relevé Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) pour cartographier plus de 40 millions de galaxies, de quasars et d'étoiles. Aujourd'hui, la collaboration a rendu public son premier lot de données, avec près de 2 millions d'objets astrophysiques à étudier par les chercheurs. Elle publie aussi 15 articles sur l'étude scientifique de ces données et sur l'instrument, les opérations et la validation de la stratégie d'observation du relevé. (communiqué de presse Berkeley lab)

L'ensemble de données (80 téraoctets) provient de 2 480 expositions prises pendant six mois au cours de la phase dite de "validation du relevé" en 2020 et 2021 et traitées en langage python sur le supercalculateur du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC, Berkeley, USA). Au cours de cette période, entre la mise en route de l'instrument et le début de la campagne scientifique officielle, les chercheurs se sont assurés que les performances de l’instrument répondraient à leurs objectifs scientifiques - par exemple, en vérifiant le temps nécessaire pour observer des galaxies de luminosités différentes et en validant la sélection des objets astrophysiques comme les galaxies, les quasars et les étoiles à observer.

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 oscillations de neutrinos ont confirmé que ces particules mystérieuses ont une masse, contredisant les prédictions du modèle standard. Le groupe DPhP du CEA Irfu cherche à résoudre ce mystère en observant la très rare désintégration double bêta sans émission de neutrino du noyau de Mo-100 grâce à des bolomètres scintillants. Suite à l'expérience de démonstration CUPID-Mo au laboratoire souterrain de Modane, le groupe a finalisé un modèle de bruit de fond détaillé qui offre une grande précision pour l'étude de la désintégration 2v2β. Le modèle permet ainsi d’obtenir l’indice de bruit de fond le plus bas jamais obtenu par la communauté scientifique pour une expérience bolométrique 0ν2β.

Pour atteindre l’objectif de 10^-4 coups/keV/kg/an nécessaire à la détection de cette désintégration extrêmement rare, l'expérience CUPID a, en complément, adopté une nouvelle technologie de détecteur : les détecteurs de lumière Nefanov-Trofimov-Luke (NTL) afin d'améliorer la réjection du bruit de fond. Une mesure, avec 10 détecteurs de lumière identiques couplés à des cristaux de Li₂MoO₄ et de TeO₂, a été réalisée au laboratoire souterrain de Canfranc et a démontré l'applicabilité de cette technologie aux détecteurs de CUPID. Compte tenu de la combinaison du faible bruit de fond, de la capacité de discrimination des particules, de l’efficacité élevée et de la haute résolution en énergie, CUPID est reconnue comme l'une des expériences de recherche de 0ν2β les plus prometteuses de la prochaine génération. Après une revue de validation, l'expérience commencera sa phase de production et de construction pour obtenir un détecteur complet à partir de 2029.

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.