Déficit en antineutrinos des réacteurs: la physique nucléaire apporte des éléments de réponse
Publié par Redbran le 18/11/2019 à 14:00
Source: CNRS IN2P3
Les modèles de physique ne parviennent pas à simuler la production d'antineutrinos des réacteurs nucléaires. Ce contretemps mis en lumière il y a 8 ans a fait couler beaucoup d'encre. Il pourrait bien trouver une explication grâce à l'étude minutieuse de la décroissance radioactive des noyaux fils du combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de la chaleur : la combustion.). Une démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment...) menée par l'équipe Structure et Energie Nucléaires (SEN) de Muriel Fallot au laboratoire Subatech.


La collaboration utilise l'accélérateur du département de physique de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) de Jyväskylä en Finlande. Bât (Un bât est un accessoire destiné à permettre le port de lourdes charges par des mammifères quadrupèdes tels que l'âne ou le buffle. Souvent fabriqué en bois, il est généralement...) à gauche au bout du pont (Un pont est une construction qui permet de franchir une dépression ou un obstacle (cours d'eau, voie de communication, vallée, etc.) en...). Image collaboration TAGS

En 2011, la révision des modèles théoriques de conversion électron/antineutrinos a semé la discorde dans le monde (Le mot monde peut désigner :) de la physique. Le nouveau calcul faisait apparaître un déficit de 6% entre les antineutrinos prédits et les antineutrinos mesurés à proximité des réacteurs. Un résultat bien embarrassant dans lequel certains voyaient potentiellement de la nouvelle physique, et d'autres l'imperfection du modèle. Pour tenter de trancher la question plusieurs équipes dans le monde se sont attelées à l'étude minutieuse de la décroissance radioactive bêta [ndlr: un neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec...) du noyau donne un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) en émettant un antineutrino] des principaux noyaux émetteurs d'antineutrinos dans le combustible. L'objectif étant d'obtenir un modèle alternatif. Résultat, à mesure que progresse le travail, l'écart se resserre entre le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est...) d'antineutrinos mesuré et le modèle déduit de ces nouvelles mesures nucléaires.


En 2011 les calculs utilisant le modèle de conversion électron/antineutrinos prévoyait 6% d'antineutrinos de plus que ce qui était mesuré à la centrale de Daya Bay (Ligne DB). L'affinement progressif du modèle nucléaire en 2012, 2015, 2017 puis 2018 a permis de ramener l'écart à 2%, tandis que le modèle de conversion est remis en question.

Plus que 2% d'écart

Ce travail de fourmis est mené tambour battant par la collaboration européenne TAGS à laquelle collaborent les chercheurs du groupe SEN. "En 2018 nous avons franchi un pas décisif en nous concentrant sur 4 noyaux qui ont un impact fort sur le bilan d'antineutrinos, les Niobium 100 et 102 ainsi que leurs isomères*" explique la scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur...), Muriel Fallot. "Nous avons ramené l'écart de prédiction à seulement 2% et nous continuons à le grignoter. Nous avons même bon espoir de combler l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui...) de l'écart rapidement." Il ne reste effectivement plus qu'une trentaine de candidats à étudier avant d'avoir fait le tour des principaux contributeurs au bilan des antineutrinos.

"Ce qui ressort de notre étude, c'est que la différence enregistrée vient surtout de la meilleure connaissance de la décroissance bêta des noyaux produits par les réactions nucléaires dans le réacteur (Un réacteur peut désigner :)" précise Muriel Fallot, "Les noyaux fils sont en effet créés dans des dizaines d'états d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) différents qui vont influer sur l'énergie des antineutrinos émis lors des désintégrations, et du coup fausser les mesures de flux." Pour bien comprendre, il faut savoir que les mesures d'antineutrinos auprès des réacteurs nucléaires ne comptabilisent que ce qui est au-dessus de 1,8 MeV. Par conséquent, si une fraction de noyaux fils n'a pas l'énergie suffisante, elle va émettre des antineutrinos sous ce seuil et fausser le comptage. Les modèles basés sur les mesures nucléaires ne prenaient pas bien en compte ce phénomène et surestimaient les émissions de nombreux noyaux.

Cible d'uranium 238

Pour affiner la compréhension de l'émission des antineutrinos par les réacteurs nucléaires, la collaboration européenne utilise l'accélérateur de Jyväskylä en Finlande pour catapulter des protons et des deutons dans une cible d'uranium 238. Les produits de fissions générés sont extraits, ionisés et accélérés, puis séparés en fonction de leur masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et...) avant d'être déposés sur une bande magnétique défilante. A l'arrivée, les caractéristiques énergétiques de la décroissance sont récupérées à l'aide d'un spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange de...) gamma à absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie...) totale (TAGS). L'équipe SEN est attendue dès le mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) d'avril 2020 en Finlande pour tenter de mettre un point (Graphie) final à cette énigme des antineutrinos manquants. Affaire à suivre.

Les expériences TAGS citées sont portées par Subatech, l'Instituto de Fisica Corpuscular (IFIC) en Espagne, et l'université de Surrey en Grande-Bretagne (La Grande-Bretagne (en anglais Great Britain) est une île bordant la côte nord-ouest de l'Europe continentale. Elle représente la majorité du territoire du...).

*V. Guadilla et al. Phys. Rev. Lett. 122, 042502 (2019).

Contacts chercheurs:

Emmanuel Jullien - Chargé de communication (Le chargé de communication développe des actions de communication vers des publics variés en cohérence avec la stratégie générale de l’établissement. Il met en œuvre tout moyen, action, réseau de communication visant...).
emmanuel.jullien at in2p3 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de recherche fondamentale du CNRS dont le domaine de recherche est comme son nom l'indique la physique nucléaire et des...).fr

Muriel Fallot - Enseignante chercheuse.
Université de Nantes/Laboratoire Subatech.
muriel.fallot at subatech.in2p3.fr

Fanny Farget - DAS Nucléaire et Applications.
fanny.farget at in2p3.fr

Pour en savoir plus:

M. Estienne et al. Phys. Rev. Lett. 123, 022502 (2019)
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