Neutrinos
Les neutrinos, particules les plus abondantes de l'univers sont néanmoins les moins connues ; la physique des neutrinos étudie leurs caractéristiques en utilisant différentes sources de neutrinos comme les accélérateurs et les sources astrophysiques (DUNE) ou les réacteurs (RICOCHET).
Les neutrinos, déclinés en 3 saveurs, électronique, muonique et tauique font partie des particules élémentaires du modèle standard de la physique des particules. Comme les neutrinos interagissent en général faiblement avec la matière, leur découverte est relativement récente - le dernier neutrino, le neutrino tauique n’a été découvert qu'en 2000 par l’expérience DONUT – et toutes leurs propriétés ne sont pas encore précisément connues. Aujourd’hui, les expériences visent à déterminer :
- La nature du neutrino : le neutrino est-il sa propre anti-particule ?
- La masse absolue et la hiérarchie de masse des neutrinos : seules les différences de masse entre deux saveurs sont mesurées.
- Les paramètres de la violation de la charge-parité (CP) dans le secteur leptonique, susceptible d’expliquer en partie l’asymétrie matière-antimatière observée dans l’univers.
- Les paramètres de la matrice de mélange qui gouvernent les oscillations de saveur des neutrinos le long de leur parcours.
- L’existence de physique au-delà du modèle standard comme la mise en évidence de nouvelles interactions ou de neutrinos stériles.
Notre groupe développe un programme de recherche qui s’intéresse à une partie de ces questions à travers 2 expériences : DUNE et STEREO.
DUNE - Deep Underground Neutrino Experiment
L'expérience DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) est un projet international de physique des particules basé aux États-Unis, conçu pour étudier les propriétés des neutrinos. Le détecteur principal de DUNE sera situé dans le laboratoire souterrain de Sanford, à 1,5 km sous terre dans le Dakota du Sud, tandis que la source de neutrinos sera produite au Fermilab, près de Chicago, à plus de 1300 km de distance. Cette configuration permettra d'étudier les oscillations des neutrinos sur une longue distance, un phénomène où ces particules changent de type en voyageant.
Les enjeux de la physique des neutrinos sont nombreux. L'expérience DUNE devrait notamment permettre de comprendre la hiérarchie des masses des neutrinos (quels types de neutrinos sont plus lourds que d’autres), si les neutrinos et les antineutrinos se comportent de manière différente (ce qui pourrait expliquer pourquoi notre univers est principalement constitué de matière et non d'antimatière), ainsi que la possibilité que les neutrinos puissent être leurs propres antiparticules (ce qui impliquerait une nouvelle symétrie fondamentale). Répondre à ces questions permettrait de mieux comprendre les lois fondamentales de la physique, ainsi que l'évolution de l'univers depuis le Big Bang.
Vue interne du Module 0 au CERN
Le détecteur lointain sera composé de deux (puis quatre dans une deuxième phase) modules de 10 000 tonnes d'Argon Liquide chacun : un module à dérive horizontale et un module à dérive verticale dans lequel la France est fortement impliquée. Un prototype de détecteur à dérive verticale, le module 0, est actuellement en cours de caractérisation au CERN. Le LPSC a participé à l'intégration des plans d'anode (CRPs) ainsi qu'à la caractérisation de leur continuité. Nous avons également développé le CRT (Cosmic Ray Tagger), un veto à muons cosmiques, ainsi que plusieurs détecteurs de niveau (Level Meters, LMs) ayant une précision de l'ordre du millimètre et qui servent à repositionner les plans d'anode en cas de déformation du cryostat sous l'effet des très basses températures.
Le LPSC va fabriquer et caractériser, d'ici 2027, les CRPs supérieurs du module à dérive verticale. Pour se faire nous avons développé dans le Hall Ariane et avec l'aide des Services du laboratoire (SDI, électronique, informatique) la CRPFactory de Grenoble qui va assembler, tester, empaqueter et envoyer à leur destination finale à SURF 71 des 80 CRPs supérieurs entre 2025 et 2026.
RICOCHET exploite les neutrinos produits en masse par le réacteur académique de l’Institut Laue Langevin (ILL) à raison de 1012 neutrinos par cm2 et par seconde. De très basse énergie (2 à 8 MeV), ces neutrinos interagissent plus fortement avec la matière étant sensible à la charge faible du noyau proportionnelle au carré du nombre de nucléons : on parle alors de diffusion cohérente neutrino-noyau (CENNS : Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering). Ce comportement prédit en 1970 par D. Z. Freedman dans le cadre du modèle standard, a été observé pour la première fois en 2017 par l’expérience COHERENT. RICOCHET vise à faire une mesure précise de la section efficace d’interaction de ce processus, ce qui permettra de contraindre des paramètres clefs du modèle standard comme l’angle de Weinberg. En contrepartie, la mise en évidence de déviations signerait l’existence de nouvelle physique.
La partie sensible du détecteur est constituée de 18 bolomètres, petits cylindres de 3 cm de diamètre et de 1 cm constitués de cristal de Germanium, auxquels viendront s’ajouter dans une deuxième phase 9 cristaux cubiques, super-conducteurs de Zinc. Le total représentant une masse d’environ 1 kg dans un volume cubique d’une dizaine de cm de côté, est inséré dans un cryostat qui assure une température de fonctionnement à 4 mK : en effet à cette température, il est possible de détecter les faibles énergies de recul nucléaire résultant de l’interaction neutrino-noyau. L’objectif est d’avoir un seuil de détection à 50 eV avec une résolution de 10 eV de façon à détecter une dizaine d’évènements par jour. Le deuxième défi de RICOCHET est de s’affranchir des bruits de fond cosmiques, neutrons et gammas, attendus à un niveau très élevé en raison de la situation de l’expérience en surface et de la proximité du réacteur. La stratégie de réduction des bruits de fond se décline selon 3 axes : un blindage passif en plomb et polyéthylène pour lutter contre les gammas et les neutrons, des plans de scintillateurs pour constituer un veto actif comme le fond cosmique, et enfin, une technologie de lecture des signaux, capable de distinguer les reculs nucléaires des reculs électroniques dus aux gammas.
En parallèle, le groupe RICOCHET prépare une évolution des techniques de détection basse-température pour TESSERACT : une expérience de recherche de matière noire dont l’installation est prévue au laboratoire souterrain de Modane.
Membres de l'équipe
Le groupe Neutrinos est composé de
- Steven Clavez, Chargé de Recherche, CNRS
- Corinne Goy, Directrice de Recherche, CNRS
- Jacob Lamblin, Maitre de Conférences, Université Grenoble-Alpes, responsable du projet RICOCHET
- Valentina Novati, Chargée de Recherche, CNRS
- Jean-Sébastien Réal, Directeur de Recherche, CNRS, responsable du projet DUNE, responsable de groupe
- Jean-Stéphane Ricol, Chargé de Recherche, CNRS
- Arnaud Robert, Maitre de Conférences, Université Grenoble-Alpes
- Silvia Scorza, Directrice de Recherche, CNRS
- Anne Stutz, Chargée de recherche, CNRS
THESES EN COURS
- Guillaume Chemin, [2021-2024] RICOCHET
- Joël Dai, [2021-2024] DUNE
- Joshua Pinchault, [2022-2025] DUNE
- Renaud Serra, [2023-2026] RICOCHET
- Juliette Blé, [2024-2027] de RICOCHET à TESSERACT