La découverte des oscillations de neutrinos, c’est à dire leur transformation d’une saveur à une autre, est un résultat majeur de ces dernières années en physique des particules car elle a permis de démontrer que les neutrinos avaient des masses non nulles. Un travail récent publié par le CEA-Irfu a révélé une anomalie dans la détection des neutrinos de réacteurs suggérant l'existence d’un nouveau type de neutrino, le neutrino stérile. Ce nouveau neutrino pourrait alors n’être observé que par son mélange avec les trois neutrinos connus. Si elle est prouvée, l'existence d'un neutrino stérile serait une découverte majeure, avec un fort impact en physique des particules et en cosmologie. La motivation du projet Stereo est la recherche de cette particule par la mise en évidence d'une oscillation de neutrinos à très courte distance auprès du réacteur de recherche de l’ILL.

  Le point de départ de l'hypothèse du neutrino stérile est une réévaluation des spectres d’émission des neutrinos émis par la fission des isotopes de l'uranium et du plutonium conduisant à une augmentation de quelques pour cent du flux de neutrinos émis par un réacteur. Une nouvelle analyse des 19 expériences publiées sur les neutrinos de réacteurs à courte distance (10-100 m) conduit à un déficit moyen de 7% par rapport à cette nouvelle prédiction. C'est ce qu'on appelle l'anomalie des neutrinos de réacteur, qui pourrait s’expliquer par l'existence d'un nouvel état du neutrino. Cette hypothèse est renforcée par une anomalie similaire dans la détection des neutrinos issus de sources bêta intenses et les paramètres de mélange les plus probables sont sin²(2θ) = 0,17 ± 0,04 et Δm² = 2,3 ± 0,1 eV². Ils correspondent à une longueur d'oscillation de l’ordre du mètre pour les anti-neutrinos de quelques MeV émis par les réacteurs.

RNA

L’objectif de l’expérience Stereo est la recherche du neutrino stérile par l’observation de cette oscillation auprès du réacteur de recherche de l’ILL. Le principe de détection des anti-neutrinos est la désintégration bêta inverse. La cible du détecteur est un scintillateur dopé au Gd afin de signer la capture du neutron par la cascade de gammas associée (8 MeV). Le volume est segmenté en 6 cellules de 0.9 m x 0.9 m x 0.4 m alignées dans la direction du cœur du réacteur et entourées par une couronne externe remplie d’un scintillateur liquide non dopé permettant de détecter les gammas qui s'échappent. La signature de l’oscillation est une diminution du nombre d’interactions d’antineutrinos variable selon l’énergie des neutrinos et la distance du cœur à laquelle ils sont détectés. Elle sera pleinement exploitée par l'analyse de la forme du spectre détecté dans les différences cellules. Le site de l’ILL combine les avantages d’un cœur très compact (<1m), d’un combustible hautement enrichi en 235U, ce qui supprime les effets d'évolution du combustible sur la forme du spectre émis, et d’un accès à une très courte distance du cœur du réacteur (9 m). L'arrêt prolongé du réacteur de l'ILL de mi-2013 à mi-2014 a permis un aménagement spécifique de la casemate dans laquelle le détecteur Stereo est installé. Le flux de rayons cosmiques y est réduit par une couverture existante de béton et une forte épaisseur d’eau. Le détecteur sera néanmoins protégé de ce flux résiduel ainsi que des neutrons et gammas en provenance du cœur par une succession de blindages actifs et passifs.

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 Avec un contour d'exclusion couvrant entièrement le domaine d'existence du neutrino stérile avec un niveau de confiance de 99%, Stereo offre un fort potentiel de découverte.


Intégration de Stereo à l'ILL

Eté - Automne 2016

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Stereo prend pied à l'ILL

Printemps 2016

En préambule rappelons que l’expérience STEREO recherche l’existence d’un nouveau constituant élémentaire de la matière (un type de neutrino dit stérile) en réalisant une mesure d’oscillation d’antineutrinos électroniques à très courte distance du réacteur de recherche de l’Institut Laue Langevin (ILL) à Grenoble.

Ce projet, fruit d’une collaboration internationale, a franchi une étape importante ces dernières semaines. En effet, les différents éléments du détecteur STEREO (photo), mis au point à l’IRFU Saclay, ont été assemblés puis testés à Grenoble dans le hall ARIANE du laboratoire avec le support des services techniques et des physiciens du LPSC. Il a été ensuite transporté dans le hall expérimental de l’ILL le 11 Mai, ce qui a nécessité une combinaison de moyens de manutention par grue et camion pour un envol au dessus les grilles du LPSC (photo) puis un transport jusqu’au bâtiment réacteur. La fenêtre en temps était très contrainte pour l’entrée des gros éléments tels que le détecteur et certaines pièces du blindage. Manquer ce rendez-vous aurait retardé de plusieurs mois l’installation de l’expérience.

Stereo Murs

La casemate dans laquelle sera installée l’expérience STEREO à l’ILL a, elle aussi, fait l’objet d’une intense activité fin avril puisque plus de 70 tonnes de plomb sous forme de briques ont été manipulées (photo) pour construire des murs de protection. Ce travail de force, auquel a participé une large équipe du LPSC agrégeant les services techniques et le groupe de physique STEREO a été mené en un temps record : 2 jours. Cette réalisation permettra de réduire à un niveau acceptable le bruit de fond issu des lignes d’expériences voisines.

L’été sera encore très occupé avec la phase d’installation du détecteur dans son blindage de plomb et de polyéthylène et le transfert à l’ILL du veto muon, conçu et réalisé au LPSC. Le dispositif complet (au total l’ensemble pèsera environ 90 tonnes) sera finalement positionné à l’aide de coussins d’air à une dizaine de mètres du cœur du réacteur. Il faudra attendre le « feu vert » de l’Autorité de Sureté Nucléaire pour le remplissage du scintillateur et la mise en service du détecteur. De nouveau un timing serré si l’on veut profiter des cycles du réacteur ON avant une phase d’arrêt prévue en mars 2017.

Si tout se déroule comme prévu cet été, nous devrions commencer à détecter nos premiers antineutrinos vers la fin septembre.