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.

Stereo 6cells

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 prévu de mi-2013 à mi-2014 permettra un aménagement spécifique de la casemate dans laquelle il est envisagé d’installer le détecteur Stereo. 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.

 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.