L’expérience NUCLEUS cherche à démontrer la détection bolométrique des antineutrinos de réacteur en s’appuyant sur un processus d’interaction appelé diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux. Après une année consacrée à l’installation des blindages et de l’infrastructure cryogénique dans les locaux de l’université technique de Munich, le projet a atteint un jalon important en concluant cet automne une prise de données de 50 jours. Celui-ci avait pour principaux buts de démontrer le bon fonctionnement de l’expérience, de valider les performances et la stabilité d’une première version du système de détection ainsi que d’étudier les bruits de fond. Des objectifs qu’il était essentiel de démontrer avant de s’aventurer sur les terres Ardennaises de la centrale nucléaire de Chooz !
Détecter la diffusion cohérente des antineutrinos de réacteur sur noyaux
La diffusion cohérente est un processus par lequel un neutrino de basse énergie (< 50 MeV) interagit avec un noyau d’atome dans son ensemble, et de ce fait sans aucune distinction des nucléons qui le composent [1]. Dans ce régime, la probabilité d’interaction du neutrino est démultipliée par rapport aux canaux d’interaction jusque-là exploités pour les étudier, comme par exemple la désintégration bêta inverse (aussi appelée capture d’un antineutrino sur proton). Maitriser la détection des neutrinos de basse énergie via ce processus donne ainsi l’espoir de réduire la taille des dispositifs actuels pour la détection des neutrinos, ce qui pourrait à long terme ouvrir des perspectives très intéressantes pour l’astronomie neutrino ou pour des applications sociétales relevant de l’énergie nucléaire. La diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux (DCNN) est également sensible à un large éventail de nouvelle physique, et permet de tester le modèle standard dans un régime en énergie encore peu exploré. En particulier, une mesure de précision pourrait aider à mieux cerner certaines propriétés du neutrino (voir [2] pour quelques exemples).
L’observation de ce processus ne se fait pas sans difficultés, la principale étant que le signal se réduit à un minuscule recul nucléaire induit par l’interaction d’un neutrino, un peu à l’image d’une balle de ping-pong entrant en collision avec une énorme boule de bowling. Pour des neutrinos d’accélérateur dont les énergies sont de l’ordre de la dizaine de MeV, le processus a été détecté et est étudié depuis 2017 [3]. Les reculs nucléaires induits, de l’ordre de la dizaine de keV, sont alors plus facilement mesurables. Le défi est tout autre pour les antineutrinos de réacteur, car leurs énergies sont au moins dix fois moindres, et donnent des reculs nucléaires inférieurs voire bien inférieurs au keV. Après environ dix années d’effort, la collaboration CONUS vient d’annoncer une première observation du processus avec un détecteur semi-conducteur au Germanium atteignant un seuil inférieur au keV et déployé auprès de la centrale de Leibstadt en Suisse [4]. Une voie prometteuse pour mesurer la DCNN avec précision est celle des calorimètres cryogéniques. Ces dispositifs, d’abord développés pour la recherche directe de matière noire et du processus de double désintégration bêta sans émission de neutrino, sont capables d’atteindre des seuils en-deçà de la centaine d’électronvolt tout en gardant un volume utile de détection suffisamment important. La collaboration NUCLEUS s’est engagée sur cette voie et développe un système de calorimètres cryogéniques équipés de thermomètres à transitions supraconductrices (ou « transition edge sensor » en anglais, TES) avec une masse utile de l’ordre de 10 grammes de CaWO4 [5]. Ces détecteurs, dont la conception découle directement de ceux de l’expérience CRESST, atteignent des seuils de détection autour de la vingtaine d’eV [6].
Un premier run de mise en service riche de succès et d’enseignements
La collaboration NUCLEUS vise une première mesure sur la centrale nucléaire de Chooz à l’horizon 2025. Pour ce faire, les équipes de l’Irfu se sont associées à celles d’EdF pour achever en 2023 l’aménagement d’un nouveau local expérimental situé à moins de 100 mètres des deux tranches de la centrale au sous-sol d’un bâtiment tertiaire (voir figure 2). La réduction et le contrôle des bruits de fond sont deux autres défis de taille à relever, principalement parce que le site expérimental offre peu de protection contre le rayonnement cosmique, mais aussi parce qu’un recul nucléaire est une signature de l’interaction d’un antineutrino de réacteur beaucoup moins évidente et irréfutable que ne le sont les produits de la décroissance bêta inverse, le canal d’interaction habituellement utilisé pour les détecter. Fort de son expertise passée avec les expériences Double Chooz, Nucifer et STEREO, l’Irfu a donc dimensionné et réalisé toute la chaîne de blindages, depuis le véto muon externe [7] jusqu’au « cryogenic outer veto » (COV), un blindage cryogénique composé de cristaux Germanium haute pureté entourant les calorimètres cryogéniques et lus en mode ionisation (voir figure 2 et [8]). L’ensemble de ce système a été installé en 2023 à l’université technique de Munich, avec cependant une version simplifiée du COV. Un premier run de mise en service, coordonné de bout en bout par l’équipe des physiciens du DPhP et du DPhN l’été dernier, a permis d’opérer avec succès une version simplifiée du système de calorimètres cryogéniques, et ceci pendant 9 semaines sans interruptions ni défaillances. Ce run de mise en service a tout d’abord permis de démontrer la stabilité et les performances de l’ensemble des sous-systèmes (cryostat, véto muon, blindages et calorimètres cryogéniques), une condition essentielle dont il fallait s’assurer avant de pouvoir déménager l’expérience à Chooz. Il s’agissait aussi de mettre en place tous les outils nécessaires à l’acquisition, au diagnostic, à la réduction et à l’analyse d’une grande volumétrie de données (~0.2 TB/jour), un objectif réalisé avec succès par le développement d’une chaîne d’analyse complète par les équipes du DPhP. Pour finir, ce run de mise en service a également été l’occasion d’étudier finement la réponse en énergie des calorimètres cryogéniques grâce à un système d’étalonnage embarqué puis d’étudier les bruits de fond, deux aspects essentiels à la future mesure de la DCNN pour lesquels les physiciens du DPhP et du DPhN ont joué également un rôle moteur dans le travail d’analyse et de simulation des données.
L’aventure à Chooz sur le point de démarrer
L’analyse des données du premier run de mise en service se termine avec pour objectif une publication avant l’été 2025. En particulier, un important travail de simulation est en cours afin de séparer et de mieux comprendre deux composantes de bruit de fond dans la région d’intérêt du signal DCNN : (i) les événements provenant du rayonnement extérieur (radioactivité naturelle, rayonnement cosmique, etc.) et dont une majeure partie est atténuée par la chaîne de blindages et (ii) ce que la communauté des détecteurs bolométriques dénomme l’excès (EXCESS en anglais) [9], une source de bruit d’origine inconnue qui se manifeste particulièrement à des énergies proches du seuil. Cette dernière est un obstacle majeur à la mesure d’un signal DCNN et fait l’objet de nombreuses spéculations. L’interprétation qui fait le plus consensus est celle d’une relaxation de contraintes dans les cristaux au niveau des supports tenant mécaniquement les calorimètres et/ou à l’interface entre le cristal et le thermomètre, relâchant des bouffées de phonons et créant des signaux reconstruits à basses énergies. Ce scénario a été en partie étudié par un calorimètre cryogénique à double lecture par TES lors du run de mise en service, sans toutefois fermement conclure. Outre la validation complète de la chaîne de blindage en condition réelles de bruit de fond, étudier l’origine de l’excès avec un nouveau module contenant un support mécanique instrumenté est donc l’objectif majeur du prochain run technique courant 2025 à Chooz. Restez à l’écoute, d’autres nouvelles arriveront bientôt d’autant que les blindages de l’expérience ont déjà achevé leur périple vers Chooz pour être remontés et mis en service d’ici le printemps 2025!
Contacts
Matthieu Vivier (Irfu/DPhP)
Fabien Jeanneau (Irfu/DEDIP)
Références
[1] D. Freedman, Phys. Rev. D 9 (1974)
[2] J. Billard et al., JCAP 11 016 (2018)
[3] D. Akimov et al., Science 03 (2017)
[4] N. Ackermann et al., arXiv : 2501.05206 (2025)
[5] G. Angloher et al., EPJC 79 1018 (2019)
[6] R. Strauss et al., Phys. Rev. D 96 022009 (2017)
[7] V. Wagner et al., JINST 17 T05020 (2022)
[8] C. Goupy et al., NIM A 1064, 169383 (2024)
[9] P. Adari et al., Sci. Post. Phys. Proc. 9, 001 (2022)