Double Chooz: une prise de poids dans tous les sens du terme !

Publié par Redbran le 26/05/2020 à 13:00
Source: CEA IRFU
Le détecteur Double-Chooz est installé à proximité des réacteur de la centrale EDF de Chooz. Image EDF
L'expérience Double Chooz publie ses derniers résultats dans la revue Nature Physics. Après avoir triplé le volume de détection, une grande précision sur la valeur de l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) θ13 caractérisant les oscillations de neutrinos est atteinte avec sin2(2θ13) = 0,105 ± 0,014; jolie synergie des neutrinistes de l'Irfu puisque cette mesure entre dans l'extraction du paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) δCP par l'expérience T2K qui faisait la couverture de Nature en avril (voir Fait Marquant du 15 avril). Prochaine étape, le démantèlement des installations à Chooz, après sept années de prise de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.). Une nouvelle métrologie (La métrologie est la science de la mesure au sens le plus large.) des volumes de détection permettra encore d'affiner la connaissance de l'oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations quel que soit le domaine.).

Les réacteurs nucléaires, source abondante de neutrinos

Les neutrinos sont des particules élémentaires neutres de masses très faibles mais non nulles et existant sous forme de trois "saveurs". Au cours de leur propagation ils peuvent osciller spontanément d'une saveur à une autre, selon la valeur de constantes fondamentales de la nature appelées angles de mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée mélange. Les...). Les réacteurs nucléaires à fission sont de gros producteurs d'antineutrinos de saveur électronique (notés neutrinos par la suite). Grâce à la récolte (La Récolte (Countrycide) est le sixième épisode de la série anglaise de science fiction Torchwood.) de cette abondante moisson de neutrinos les expériences auprès des réacteurs sont très performantes pour mesurer 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...) de neutrinos à différentes distances, contraignant ainsi précisément les paramètres d'oscillations.

Vue en coupe du détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la...) Double Chooz. L'augmentation du volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) fiduciel de 10 à 33 m3, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en contrôlant les erreurs systématiques et les bruits de fond en deçà du 1%, permet d'améliorer la précision de mesure de theta_13. Image: Loris (En zoologie, l'appellation Loris peut désigner plusieurs espèces de primates de genres différents, tels que Nycticebus ou Loris.) Scola.

L'expérience Double Chooz

L'expérience Double Chooz [1], proposée conjointement par les groupes de l'Irfu et de l'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...) en 2003, utilise deux détecteurs identiques à proximité de la centrale nucléaire (Une centrale nucléaire est un site industriel qui utilise la fission de noyaux atomiques pour produire de la chaleur, dont une partie est transformée en électricité...) de Chooz, dans les Ardennes. "L'objectif, aujourd'hui atteint, était de mesurer l'angle de mélange θ13, paramètre qui quantifie le couplage entre le neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) électronique et le plus lourd des trois neutrinos connus" déclare Thierry Lasserre (DPhP), responsable 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 et les...) de l'expérience.

Le premier détecteur, situé à 400 mètres des coeurs des deux réacteurs, sert d'étalon pour mesurer le flux et le spectre avant l'oscillation induite par θ13. Le second détecteur, placé à 1 km, recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) une suppression du flux de neutrinos par-delà l'évolution prévue sans oscillation. Ce déficit de flux est caractérisé par l'angle de mélange θ13.

Dans les détecteurs de Double Chooz un neutrino interagit avec un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) pour donner deux produits de réaction, un positron (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour l'électron), le même spin et...) (e+), et 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 les protons,...) (n). L'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.) du neutrino est déduite de celle du positron. Elle est comprise entre 1.8 et 10 MeV. Le neutron sert quant à lui à signer l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) et à définir le volume dans lequel les interactions sont comptabilisées. La conception du détecteur à 4-volumes (voir figure) fut proposée par Hervé de Kerret et Thierry Lasserre en 2003 et adoptée par la suite par les expériences Daya Bay et RENO.

En quête de θ13

Augmenter la sensibilité et potentiellement mesurer une valeur non nulle de θ13 était l'objectif de Double Chooz. "L'expérience a été lancée par les conseils scientifiques du CEA et du CNRS en 2004 et les préparatifs techniques commencèrent" relate Florence (Florence (en italien Firenze) est une ville d'Italie, capitale de la région de Toscane et chef-lieu de province (370 051 habitants, les Florentins). Située au pied de l'Apennin septentrional, elle est traversée par le fleuve Arno.) Ardellier (CEA/Irfu et CNRS/ IN2P3), alors coordinatrice technique de l'expérience. La construction du détecteur proche fut approuvée par la suite, en 2009. "L'ensemble de la coordination technique, et notamment la conception mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de...) a été pilotée par les services techniques de l'Irfu" déclare Loris Scola (DIS), responsable de la conception mécanique des lots Irfu et de l'intégration du modèle numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information dite...).

Jusqu'en 2011, il n'existe qu'une limite supérieure pour cet angle, fournie par l'expérience CHOOZ [2]. Les premiers résultats de Double Chooz, utilisant 228 jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à...) de données avec le seul détecteur lointain, permirent d'exclure l'hypothèse de non-oscillation. La première valeur indiquait sin2(2θ13) = 0,086 ± 0,05 (stat+syst).

Détecteur ouvert. Crédit Olivier Corpace et Christian Veyssière

Rapport entre la forme des spectres en énergie des détecteurs lointain et proche de Double Chooz. La courbe pointillée rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) indique le rapport attendu en l'absence d'oscillation. Les mesures sont représentés par les croix. Elles sont en très bon accord avec le modèle d'oscillation, représenté par la courbe bleue. Image Collaboration Double-Chooz.

L'étau se resserre sur θ13

Double Chooz a continué de prendre des données jusqu'en janvier 2018 afin de réduire les incertitudes, principalement grâce au deuxième détecteur. Les nouveaux résultats de Double Chooz viennent d'être publiés dans la revue Nature Physics [3], et la valeur mesurée est: sin2(2θ13) = 0,105 ± 0,014 (stat+syst)

L'oscillation des neutrinos mesurée est illustrée dans la figure ci-dessus.

L'amélioration de la précision provient d'une innovation qui n'était pas prévue lors de la conception de l'expérience. En effet, l'interaction d'un neutrino n'était à l'origine signée que par la capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce dernier. La capture de l'objet céleste aboutit à sa...) de neutrons issus de l'interaction bêta inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un...) sur des noyaux de gadolinium (Le gadolinium est un élément chimique, de symbole Gd et de numéro atomique 64.) dans un volume cible de 10 m3. Cette limitation était principalement due au taux de bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une...) et aux erreurs systématiques anticipées. Désormais, toutes les captures de neutrons sur le gadolinium, mais aussi sur l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), sont comptées dans un volume élargi à 33 m3. Le détecteur gagne ainsi un facteur de 2,5 en nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'événements détectés (voir figure ci-dessus). Cette innovation n'aurait pas été possible sans une meilleure maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs pays et correspond à différents niveaux selon ceux-ci.) des erreurs systématiques et des bruits de fond, au-delà des attentes initiales.

Double Chooz et l'anomalie des antineutrinos de réacteurs

Aujourd'hui, la connaissance précise de θ13 est essentiellement déduite d'expériences de neutrinos de réacteurs: Daya Bay (la plus précise), Double Chooz et RENO. Au-delà de l'objectif initial, l'angle θ13, deux nouvelles énigmes ont été soulevées par les membres de la collaboration Double Chooz.

En 2011, une percée majeure a eu lieu avec la réévaluation des spectres de neutrinos des réacteurs [4]. "Notre réévaluation, adoptée depuis par la communauté, a augmenté le flux neutrinos de réacteur de près de 7% !" déclare David Lhuillier, à l'origine de cette percée. Cette inflation du flux amena (Orange est aujourd’hui une marque commerciale propriété de l'entreprise internationale française de télécommunications France Télécom; elle désigne en particulier ses activités hors du territoire national où cette...) le groupe de l'Irfu à publier "l'anomalie des neutrinos de réacteurs" [5]. "Cette publication, citée plus de 1200 fois, relança la communauté des neutrinos dans la recherche d'un nouveau neutrino dénué d'interaction avec la matière" se réjouit Guillaume (Guillaume est un prénom masculin d'origine germanique. Le nom vient de Wille, volonté et Helm, heaume, casque, protection.) Mention (DPhP), avec notamment la réalisation d'une dizaine d'expériences telles que Stéréo, coordonnée par David Lhuillier en France, Prospect aux Etats-Unis, Best, Neutrino-4 et DANSS en Russie, et le Short Baseline Neutrino Program au Fermilab.

Double Chooz fournit à présent la mesure la plus précise du flux de neutrinos issu des réactions nucléaires des réacteurs, en améliorant la détermination de la section efficace moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun...) par réaction de fission qui s'établit désormais à5.71 ± 0.06 × 10-43 cm2/fission. "Cette amélioration demande une grande maîtrise des erreurs systématiques associées au détecteur proche seul" précise Anthony Onillon (DPhP), qui a participé à ces calculs. Cette valeur vient renforcer la solidité de l'anomalie des neutrinos de réacteurs.

Illustration de l'anomalie antineutrino du réacteur. Les résultats expérimentaux (points) sont comparés à une prédiction en l'absence d'oscillation (ligne orange en pointillé). Le déficit observé à courte distance (moins de quelques centaines de mètres) est appelé anomalie des antineutrinos de réacteurs. La ligne bleue montre une solution possible avec un nouveau neutrino, tel que |?m2 new| = 2 eV2, sin2(2theta_13) = 0,085 et sin2(2theta_new) = 0,12. Cette solution n'est pas un ajustement calculé sur les données, mais a été ajoutée à titre d'illustration uniquement.

Une structure fine encore incomprise ?

En 2014, un excès dans le spectre des événements détectés autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au...) de 5 MeV par rapport au modèle attendu fut rapporté par la collaboration Double Chooz lors de la conférence Neutrino 2014 à Boston. Cette structure, déviant localement d'environ 10% en relatif par rapport au flux escompté, fut rapidement confirmée par les expériences RENO puis Daya Bay. "Hélas, l'origine reste toujours incomprise mais les dernières mesures de Double Chooz affinent néanmoins sa caractérisation spectrale" ajoute Matthieu Vivier (DPhP).

Une mesure utile pour comprendre le Cosmos

La valeur de θ13 est non seulement d'un intérêt fondamental pour comprendre les neutrinos, mais c'est aussi un ingrédient essentiel pour l'étude de l'asymétrie (L'asymétrie est l’absence de symétrie, ou son inverse. Dans la nature, les crabes violonistes en sont des exemples spectaculaires.) matière-antimatière, liée à la symétrie CP (En physique des particules, une théorie possède la symétrie CP si elle est invariante sous une transformation simultanée de conjugaison de charge, qui échange particules et antiparticules, et...)*. La violation de CP par les neutrinos, comme par exemple une différence de comportement entre oscillation de neutrino et antineutrinos, pourrait avoir engendré la prédominance de la matière sur l'antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière classique — celle dont est faite la Terre. Le préfixe « anti- » signifie que...) dans l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.), par un processus appelé "leptogénèse". Cette violation de la symétrie CP peut être mesurée dans les oscillations en utilisant les faisceaux de neutrinos muoniques produits par des accélérateurs de particules (T2K au Japon et NOvA (En astronomie, une nova est une étoile qui devient très brutalement extrêmement brillante, avec une grande augmentation de son éclat, qui...) aux États-Unis). Néanmoins, les observables qui mènent à la détermination de cette asymétrie sont enchevêtrées avec θ13. La combinaison (Une combinaison peut être :) des mesures des expériences de Daya Bay, Double Chooz, et RENO est ainsi utilisée pour fixer la valeur de θ13 et ainsi mieux contraindre la mesure de l'asymétrie matière-antimatière [6].

* La symétrie CP remplace chaque particule par son antiparticule (A chaque type de fermions fondamentaux correspond un type d'antiparticule. Ainsi, à l' électron est associé au positron, et les quark, à leurs antiquark. La...), et opère par ailleurs une réflexion de chaque particule par son image dans un miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent...). Si les résultats d'une expérience diffèrent après application on dit que la symétrie CP est violée.

Intérieur du détecteur proche de Double Chooz durant l'intégration. Photo: Olivier Corpace.

Le bout du tunnel !

Après quinze années de préparation et d'opération, l'expérience Double Chooz touche bientôt à sa fin. Les équipes de Christian Veyssière (Chef du département DIS) sont actuellement sur le pont (Un pont est une construction qui permet de franchir une dépression ou un obstacle (cours d'eau, voie de communication, vallée, etc.) en passant par-dessus cette séparation. Le franchissement supporte le...) pour démanteler les deux fois 500 tonnes que constituent les équipements installés à Chooz (voir figure ci-contre). "Au-delà des opérations techniques de déconstruction, menées conjointement avec EDF, nous allons mesurer précisément le volume élargi avec une précision de l'ordre de 0.2%, afin d'obtenir un gain sur la précision de la mesure finale de l'ordre d'un facteur deux " déclare Olivier Corpace, qui a coordonné l'intégration du détecteur proche à Chooz. Double Chooz n'a donc pas encore dit son dernier mot !

Contact: Thierry Lasserre

Références:

[1]: Expérience Double Chooz: http://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php (PHP (sigle de PHP: Hypertext Preprocessor), est un langage de scripts libre principalement utilisé pour produire des pages Web dynamiques via un serveur...)?id_ast=424

[2]: Expérience Chooz: https://arxiv.org/pdf/hep-ex/0301017.pdf

[3]: Double Chooz Nature Physics 2020: https://rdcu.be/b3FE4

[4]: Flux et Spectres des neutrinos de réacteur: https://inspirehep.net/literature/884183

[5]: Anomalie des neutrinos réacteur: http://irfu.cea.fr/en/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_visu.php?id_ast=3045

[6]: Expérience T2K: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2177-0
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