Expérience Double Chooz: l'oscillation des neutrinos issus de réacteurs nucléaires

Publié par Adrien le 29/04/2020 à 13:00
Source: CNRS IN2P3
Depuis l'arrêt de ses détecteurs début 2018, la collaboration internationale Double Chooz poursuit l'analyse de ses données afin de parvenir à la valeur la plus solide qui soit de θ13, valeur qui caractérise la troisième et dernière 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.) possible des neutrinos. Les chercheurs ont également mesuré avec une précision jamais encore atteinte 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 employé dans les domaines...) de l'émission de neutrinos par les réactions de fission des réacteurs nucléaires ainsi que d'autres valeurs associées. Ces résultats sont rassemblés dans un article paru lundi 20 Avril 2020 dans Nature Physics [1] signé par Hervé de Kerret et al.

La physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) des neutrinos est une des clés pour une compréhension plus complète de notre Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). L'étude de ces particules quasi indétectables, passe en grande partie par la caractérisation de leurs oscillations. Ce phénomène décrit par la mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de décrire les phénomènes fondamentaux à l'œuvre dans les systèmes physiques, plus particulièrement à...) a été mis en évidence il y a une vingtaine d'années. Concrètement, cette oscillation permet à un neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) produit dans l'un des trois états de "saveur" connu (électronique, muonique ou tauique) d'évoluer lors de sa propagation vers l'une ou l'autres des autres saveurs.


L'expérience Double Chooz de mesure de l'oscillation des neutrinos est implantée sur le site de la centrale nucléaire EDF de Chooz dans les Ardennes au bord de la Meuse. Elle utilise deux détecteurs, un lointain et un proche, qui mesurent le flux d'antineutrinos qui est émis par les réacteurs B1 et B2 de la centrale électrique (Une centrale (de production d'énergie) électrique est un site industriel destiné à la production d'électricité. Les centrales électriques transforment...). Image: Collaboration Double-Chooz

Une théorie des oscillations pour expliquer la disparition des neutrinos

Ce phénomène a longtemps défié les physiciens qui n'arrivaient pas à expliquer pourquoi les mesures du flux de neutrinos en provenance du soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...) ou de réactions atmosphériques souffraient toujours d'un déficit chronique au regard de ce qui était attendu. Rapidement l'idée d'une oscillation a été évoquée. Dans cette hypothèse, aucun neutrino ne manque à l'appel. Ils ont juste changé de saveur en chemin et ne sont plus détectés. S'en sont suivies d'intenses recherches qui se sont conclues au détour des années 2000, via les expériences SNO (au Canada) et Super-Kamiokande (L'expérience Super-Kamiokande, situé au Japon près de la ville de Mozumi, consiste en un immense cylindre de 40m de haut et 40m de diamètre rempli de plus de 50 000...) (au Japon) par la mise en évidence irréfutable de deux oscillations appelées θ12 et θ23 (Prononcer téta un deux et téta deux trois). Le modèle théorique des oscillations était donc confirmé, et tous les projecteurs se sont alors tournés vers la troisième oscillation qu'il prédisait, l'oscillation θ13. Une course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.) à sa mesure s'est aussitôt engagée. Les premières évidences expérimentales de θ13 ont été obtenues en 2011 par les expériences Double Chooz en France et T2K au Japon. Mais elles n'étaient pas encore assez significatives. C'est finalement l'expérience Daya Bay, en Chine, qui a obtenu la première mesure fiable en accord avec les évidences précédentes. Mesure confirmée peu après par l'expérience RENO, en Corée du Sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.). Cette mesure de θ13 couronnait de façon magistrale et définitive le modèle des oscillations. Mais le travail n'était pas fini pour autant.

Une valeur particulièrement difficile à mesurer

La valeur θ13 est si délicate à obtenir qu'elle fait encore aujourd'hui l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui...) d'un important travail de consolidation international auquel participe la collaboration Double Chooz. "La mesure de θ13 nécessite une précision expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan...) inédite, probablement la plus pointue jamais réalisée en physique des neutrinos", explique Anatael Cabrera, porte-parole de la collaboration Double Chooz et directeur du Laboratoire neutrinos de Champagne-Ardenne (LNCA) [2] qui gère l'expérience. A tel point (Graphie) que "l'amélioration même de la mesure de θ13 par rapport à ce que les expériences ont pu réaliser, est perçue encore aujourd'hui comme impossible dans l'état de l'art actuel." Dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le...), toute consolidation de cette valeur est d'une importance capitale (Une capitale (du latin caput, capitis, tête) est une ville où siègent les pouvoirs, ou une ville ayant une prééminence dans un domaine social, culturel, économique ou sportif, dans ce cas on...), et les nouveaux résultats de Double Chooz, qui font un pas substantiel dans la précision de cette valeur et l'établissent maintenant à sin2(2θ13) = 0.105±0.014, feront date promet le chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et impliquent d'importantes...).


Sur ce spectre énergétique qui exploite les données comparées des 2 détecteurs de l'expérience Double-Chooz, les effets de l'oscillation des neutrinos se perçoivent par l'écart qu'il y a entre les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande...) (courbe bleue) et le trait rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) qui correspond à ce qui serait attendu sans oscillations. Image Collaboration Double-Chooz

Un enjeu important pour la physique des neutrinos

La solidité de la valeur de θ13 a une signification toute particulière en physique des neutrinos. Elle conditionne notamment l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) et la précision des expériences qui tentent de mettre en évidence une violation de la symétrie matière/antimatière (symétrie CP) dans le secteur des neutrinos. La valeur θ13 plutôt “grande” suggérerait en effet que les neutrinos peuvent manifester un effet de violation de symétrie sans précédent - plusieurs ordres de grandeur par rapport aux observations avec les quarks (prix Nobel 1964) et mesurées dans des accélérateurs de particules, comme le LHC au CERN. Une telle mise en évidence, qui semble se dessiner [3], pourrait marquer un pas historique dans la compréhension de l'absence d'antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière classique — celle dont est faite la Terre. Le préfixe...) dans l'univers lors du Big-Bang (Le Big Bang[1] désigne l’époque dense et chaude qu’a connue l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles cosmologiques qui la décrivent, sans que cela...).

Des conditions expérimentales exceptionnelles

Sa précision, l'expérience Double Chooz la doit avant tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) à la qualité de son site d'implantation (Le mot implantation peut avoir plusieurs significations :). L'expérience a en effet pour objet de détecter et mesurer le flux d'antineutrinos électroniques généré par les deux réacteurs de la centrale nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) de Chooz d'EDF (Électricité de France) dans les Ardennes. "Le fait qu'il n'y ait que deux réacteurs, qui plus est parmi les plus puissants qui existent, rend la mesure particulièrement propre", précise Anatael Cabrera. D'autre part, continue le chercheur, "l'expérience est conduite avec deux détecteurs, l'un proche et l'autre lointain. La variation dans le flux de neutrinos est donc une valeur relative qui se déduit de ce que chacun des détecteurs voit, sans que les fluctuations des réacteurs nucléaires n'aient d'impact sur la mesure."

Une technique inédite dope la sensibilité des détecteurs

Cependant la qualité du site n'aurait pas suffi, si les chercheurs ne s'étaient montrés particulièrement innovants. Il faut savoir que les détecteurs de Double Chooz sont sensibles à deux sortes de signaux émis lors de la “collision” d'un antineutrino électronique avec un noyau d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.). Le premier est l'émission de positrons (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 la même masse que l'électron.) (équivalent de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) en antimatière) dont on peut observer la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs...) produite au moment de leur annihilation. La seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La...) est l'émission d'un neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.) qui va être aussitôt capturé par un noyau de gadolinium (Le gadolinium est un élément chimique, de symbole Gd et de numéro atomique 64.) du liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) de détection et conduire à l'émission de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules...) gamma. L'idée des chercheurs de Double Chooz a été de créer un système capable de comptabiliser tous les événements de 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...) dans le 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.) sensible, y compris ceux occasionnés par les noyaux d'hydrogène ou encore de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.), en beaucoup plus grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) dans le liquide de détection. Résultat, le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement...) a gagné un facteur 2,5 en sensibilité. "C'est cette astuce qui nous a donné la sensibilité suffisante pour pousser l'ensemble de nos mesures plus loin. Et au final nous revisitons dans notre article la totalité de nos incertitudes dont on a pu affiner la précision et confirmer leur exactitude. Au bout du compte la valeur de θ13 n'aura jamais été aussi sûre qu'aujourd'hui" explique le chercheur.

Des progrès autour de l'énigme du déficit en neutrinos des réacteurs

Première conséquence très concrète (La concrète est une pâte plus ou moins dure obtenue après extraction d’une matière première fraîche d’origine végétale (fleurs, feuille) par solvants...) de ce travail, les scientifiques ont pu s'appuyer sur la nouvelle valeur de θ13 pour explorer la problématique du déficit inexpliqué entre le flux de neutrinos mesuré par les expériences et celui prévu par les modélisations de ce flux. Cette question a été soulevée au début des années 2010 à l'occasion de la préparation de l'expérience Double Chooz. Un débat (Un débat est une discussion (constructive) sur un sujet, précis ou de fond, annoncé à l'avance, à laquelle prennent part des individus ayant des avis, idées, réflexions ou...) est alors né entre les tenants d'une solution "classique" expliquant l'erreur par une méconnaissance des réactions nucléaires dans les réacteurs, et les défenseurs d'une solution "exotique" trouvant dans ce déficit, l'expression d'un quatrième neutrino qu'il restait à découvrir. Les nouveaux résultats de Double Chooz sont consistants avec la version "classique". "Notre étude de θ13 nous a servi en retour à démontrer de façon très robuste que le niveau d'incertitude des prédictions de flux était largement sous-évalué. Possiblement d'un facteur 4" indique Anatael Cabrera. Et les chercheurs ne se sont pas arrêtés là puisqu'ils fournissent dans la foulée la mesure la plus précise du flux de neutrinos issu des réactions nucléaires des réacteurs, qui est proportionnel à la mesure de la section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée de la physique...) moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils...) par réaction de fission: (5.71±0.06)×10−43 cm2/fission. Ils valident par la même occasion que la forme spectrale de ce flux est en accord avec la plus grande partie des expériences internationales.

Le démantèlement exploité pour affiner la précision

Aujourd'hui l'expérience Double Chooz est en démantèlement, mais elle n'a pas dit son dernier mot pour autant. "Nous allons profiter du démontage pour refaire une mesure ultra précise du volume de la cuve de liquide de détection et cela devrait nous permettre de réduire encore en peu plus la marge d'erreur de nos mesures", se réjouit Anatael Cabrera. Cette mesure assez inhabituelle est une conséquence directe de l'utilisation de la nouvelle technique de détection de la collaboration. Elle s'applique sur des volumes du détecteur qui étaient jugés inaccessibles au moment de la construction et dont le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) de précision a été relâché à 1% au lieu du 0.1% qui aurait été nécessaire pour être compétitif. Il y aura donc un dernier épisode de mesure de haute précision, mais ce sera le dernier précise le chercheur, au-delà il sera impossible de faire mieux et la page de cette expérience sera définitivement tournée.

Une nouvelle expérience possible

Mais une page seulement, "Chooz est un nom reconnu dans le contexte mondial de la mesure de θ13. La première expérience Chooz lancée à la fin des années 90 et pilotée par des équipes CNRS/IN2P3, est restée la référence de la connaissance mondiale dans ce domaine pendant presque 15 ans, jusqu'au premier résultat de Double Chooz" rappelle le directeur du LNCA. "Nous espérons donc poursuivre cette dynamique autour de θ13. Une solution présentée en 2019 à la conférence EPS-HEP (European Physics Society for High Energy Physics) va dans ce sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du vieillissement,...). Elle s'appuie sur une nouvelle technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) appelée LiquidO [4] développée au sein 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 comme son nom l'indique...) et déjà en cours de démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment démontrées à partir de propositions initiales, en s'appuyant sur un...)."

À propos de la collaboration Double Chooz

La collaboration Double Chooz, rassemble une centaine de chercheurs de 7 pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision...) (France, Allemagne, Brésil, Espagne, États-Unis, Japon, et Russie). Elle est conduite dans le cadre du Laboratoire Neutrino de Champagne Ardenne (LNCA) unité mixte CNRS-IN2P3/CEA-IRFU en collaboration étroite avec Électricité de France (Électricité de France (EDF) est une entreprise publique créée le 8 avril 1946 à la suite de la proposition de nationalisation des biens de diverses entreprises de production, de transport et de distribution...) (EDF) qui exploite les réacteurs nucléaires. L'expérience est pilotée en France par une collaboration entre le CNRS/IN2P3 et le CEA. Les laboratoires CNRS/IN2P3 impliqués dans la collaboration sont l'APC (Paris), le CENBG (Bordeaux), IJCLab (Orsay), LNCA (Chooz) et SUBATECH (Nantes).

Le laboratoire comprend deux halls expérimentaux souterrains hébergeant les installations de Double Chooz: deux capteurs identiques d'un volume de 200m3 et de 7m de hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.). L'un, appelé “lointain”, est placé dans une galerie à l'abri du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) cosmique sous 100m de roche (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce terrestre. Tout matériau entrant dans la composition du sous-sol est formé par...) et à environ 1km des réacteurs EDF de Chooz-B. L'autre capteur (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une...), dit “proche”, situé à environ 400m de distance des réacteurs, a été construit à partir de 2010 sous l'héliport du site de la centrale. Il est protégé du rayonnement cosmique par environ 30m de terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par...). Le détecteur lointain a été mis en service en avril 2011, et le proche à partir de janvier 2015. L'expérience a pris des données jusqu'en janvier 2018. Elle est aujourd'hui en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de démantèlement.

L'utilisation et l'exploitation du site de Chooz pour l'étude des neutrinos a été imaginée et orchestrée par l'ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature technologique, concrets et souvent complexes, liés à la...) et chercheur français Hervé de Kerret (CNRS/IN2P3) aujourd'hui décédé. La centrale a hébergé deux expériences. La première à la fin des années 90, baptisée Chooz est parmi la plus citée dans la littérature de la physique des neutrinos. La seconde est l'expérience Double Chooz, initiée en 2009.

Notes:
[1] Nature Physics de Double Chooz [2020]
[2] Laboratoire neutrino de Champagne-Ardenne (LNCA)
[3] Nature T2K [2020]
[4] LiquidO @ APPEC
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