Le code FIFRELIN simule la fission nucléaire et la désexcitation des noyaux alors produits. STEREO est un détecteur compact de neutrinos qui cherche un hypothétique neutrino stérile. Deux thématiques a priori disjointes développées au CEA, la première à la DEN, la seconde à la DRF/Irfu, qui se sont pourtant récemment rencontrées pour atteindre une précision inédite sur un ingrédient crucial de la détection des neutrinos : la désexcitation d’un noyau de Gadolinium après la capture d’un neutron. Les résultats de cette rencontre viennent d’être publiés dans la revue EPJA.
L’expérience STEREO vise à tester l’existence d’un neutrino stérile. Pour les physiciens, ce nouveau type de neutrino pourrait être la meilleure chance de passage vers l’au-delà (du modèle standard, il s’entend). Pas facile cependant de traquer cette particule exotique qui s’affranchit de toutes les interactions avec la matière. La clé de sa mise en évidence réside dans son mélange attendu avec les autres neutrinos, une propriété bien établie pour les trois neutrinos actifs déjà connus, dont la découverte a valu l’attribution du prix Nobel de physique en 2015. Pour cela STEREO s’est installé au plus près d’une source très intense de neutrinos : à 10 m du réacteur de recherche de l’ILL-Grenoble. A cette distance environ 4.1015 neutrinos, issus des désintégrations bêta des produits de fission, traversent chaque seconde les 2 m3 de liquide scintillant du détecteur (Figure 1) pour seulement un neutrino intercepté toutes les… 4 minutes. Si le neutrino stérile existe, il induira une oscillation dans le nombre de neutrinos actifs détectés, visible en comparant les spectres mesurés dans les 6 cellules de STEREO.
Figure 1: Vue en coupe du détecteur STEREO. Les cellules de détection, remplies de liquide scintillant dopé au gadolinium, sont visibles dans la partie la plus interne, entourée de plusieurs couches de blindage. © L. Scola, CEA
Figure 2: Processus de détection des neutrinos dans STEREO. Le neutrino incident interagit avec un noyau d’hydrogène du liquide scintillant pour former un positron (e+) et un neutron (n) qui dans la majorité des cas se fera capturer par un noyau de gadolinium. © D. Lhuillier, CEA
Avec un neutrino toutes les 4 minutes il faut cependant être capable de rejeter tous les autres signaux (rayonnements naturels, activité du réacteur) qui pourraient imiter le signal d’un neutrino. Heureusement, les physiciens disposent d’une signature assez originale de l’interaction d’un neutrino avec un proton du détecteur : la détection d’un positron[i] suivie de la capture d’un neutron (Figure 2). Pour rendre ce processus plus efficace, des atomes de gadolinium (Gd) sont mis en suspension dans le liquide scintillant. Cet élément détient le record d’appétit pour les neutrons. En quelques microsecondes seulement, il va capturer le neutron produit par un neutrino et émettre une cascade de rayons gamma pour signer son forfait avec une énergie totale de 8 MeV, nettement au-dessus de la plupart des signaux parasites.
Oui mais voilà, les oscillations recherchées par STEREO se développent à l’échelle du mètre. Le détecteur est donc compact et une partie non négligeable des gammas de la cascade va s’échapper à l’extérieur du liquide scintillant. Le joli signal attendu à 8 MeV va ainsi se parer d’une large traînée à basse énergie, remplie de tous ces dépôts partiels d’énergie de la cascade. Traînée dans laquelle une coupure de détection est appliquée pour rester au-dessus des bruits de fond (typiquement les énergies supérieures à 4.5 MeV sont sélectionnées). Or STEREO souhaite contrôler son efficacité de détection au % près, il va donc falloir décrire très précisément les cascades gamma du Gd.
Les physiciens du neutrino se trouvèrent forts dépourvus quand ce défi fut venu…. Pas un seul petit morceau des codes standards de GEANT4 qui ne donnât satisfaction. Ils allèrent quêter expertise auprès de FIFRELIN, habitué à évoluer sur ces terrains complexes.
Figure 3: Illustration de la distribution des niveaux excités d’un noyau, dont la densité augmente très vite avec l’énergie d’excitation. Dans cet exemple, l’état initial, dont l’énergie Sn (énergie de séparation du neutron) est de l’ordre de 8 MeV, se désexcite en émettant 3 rayons gamma jusqu’au niveau fondamental G.S. (Ground State). © O. Litaize, CEA
FIFRELIN est un code Monte Carlo développé au CEA/DEN de Cadarache qui simule la production et la désexcitation des fragments de fission afin de répondre à des besoins en données nucléaires pour la physique des réacteurs [1]. Il est a fortiori capable de modéliser la cascade d’émission de gammas et d’électrons issus de la désexcitation d’un noyau crée par capture d’un neutron. Pour ce faire FIFRELIN utilise toutes les données disponibles de structure nucléaire qui décrivent les premiers niveaux excités. Mais après absorption d’un neutron l’énergie d’excitation du noyau de Gd atteint un continuum de niveaux (Figure 3). FIFRELIN se base alors sur des modèles de densités de niveaux pour compléter les schémas de niveaux. Après calcul de toutes les probabilités de transitions partielles inter-niveaux, le code échantillonne des millions de cascades électromagnétiques, avec une maîtrise simultanée du nombre et de l’énergie des rayons gamma. Ces cascades sont ensuite utilisées dans la simulation de la réponse du détecteur STEREO.
Figure 4: Comparaison entre les distributions en énergie expérimentale (points) et simulée (histogramme) des rayons g détectés dans STEREO après une capture neutron. Les neutrons sont ici générés par une source radioactive placée à mi-hauteur d’une cellule. La ligne pointillée indique la coupure de l’analyse STEREO : seuls les énergies supérieures à 4.5 MeV sont sélectionnées. © H. Almazán Molina, MPIK
La figure 4 illustre l’amélioration obtenue, grâce à FIFRELIN, dans la description de l’énergie mesurée après les captures de neutrons. Les pics de capture sur le Gd (8 MeV) et dans une moindre mesure sur l’hydrogène (2,2 MeV) sont bien visibles. L’accord initial obtenu avec les simulations GEANT4, illustré par le graphe du haut, semble satisfaisant mais les distorsions résiduelles suffisaient pourtant à générer 4.5% d’écart entre les efficacités de détection simulées et mesurées pour une source de neutrons au centre d’une cellule. Grâce aux simulations FIFRELIN (graphe du bas), l’accord devient quasi parfait, aussi bien sur l’alignement des pics que sur la distribution des énergies intermédiaires, très sensible à la description des cascades. L’accord entre simulation et données passe alors à 0.5% seulement, avec une incertitude associée inférieure au % [2].
Une rencontre fructueuse qui arrive à point nommé pour la poursuite de STEREO vers la haute précision ! La technologie des scintillateurs dopés au Gd est largement employée pour la détection des neutrinos, cette avancée vers la haute précision sera profitable à plusieurs autres projets en cours. En parallèle de la publication de ces résultats, 10 millions de cascades du Gd ont donc été mises à disposition de la communauté scientifique [3].
Références :
[1] O. Litaize et al., “Fission modelling with FIFRELIN”, Eur. Phys. J. A, vol. 51, no. 177, pp. 1–14, 2015.
[2] H. Almazán et al., “Improved STEREO simulation with a new gamma ray spectrum of excited gadolinium isotopes using FIFRELIN”, arXiv:1905.11967
[3] doi:10.5281/zenodo.2653787, https://zenodo.org/record/2653787#.XPTIBS3pNlc
[i] L’antiparticule de l’électron
Thèses récentes
- Recherche d’un neutrino stérile avec l’expérience STEREO
Mathieu Vialat - soutenance prévue en 2021 - Recherche d’un neutrino stérile avec l’expérience STEREO : détermination des spectres neutrinos et caractérisation du bruit de fond
Laura Bernard - 4 octobre 2019 - Dir J.S. Réal - Search for a sterile neutrino with the STEREO experiment : shielding optimisation and energy calibration
Felix Kandzia – 11 décembre 2017 – Dir F. Montanet - Recherche d'un neutrino stérile avec l'expérience STEREO : développement de l'électronique et identification des neutrinos
Thomas Salagnac - 16 octobre 2017 – Dir. J. Lamblin - Recherche d’un neutrino stérile avec l’expérience STEREO : construction d’un veto à muons et estimation du bruit de fond corrélé
Stéphane Zsoldos – 30 septembre 2016 – Dir. J.S. Réal
Autres thèses soutenues
(à venir)
Période 2016-2018
- Improved STEREO simulation with a new gamma ray spectrum of excited gadolinium isotopes using FIFRELIN
H. Almazán et al. Eur. Phys. J. A 55, 183 - Sterile neutrino constraints from the STEREO experiment with 66 days of reactor-on data
H. Almazán et al. (STEREO Collaboration) Phys. Rev. Lett. 121, 161801 - The STEREO Experiment
N. Allemandou et al. 2018 JINST 13 P07009 - Trigger and readout electronics for the STEREO experiment,
O. Bourrion et al 2016 JINST 11 C02078
Actualités
STEREO rejette l'hypothèse du neutrino stérile - Janvier 2023
FIFRELIN et STEREO à la croisée des cultures - Octobre 2019
STEREO passe à la vitesse supérieure - Mars 2019
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STEREO prend pied à l’ILL - Avril 2016
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.
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.
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
Equipe de recherche : membres permanents
- Corinne Goy, Directrice de Recherche CNRS
- Jacob Lamblin, Maitre de Conférences Université Joseph Fourier
- Jean-Sébastien Réal, Directeur de Recherche CNRS
- Jean-Stéphane Ricol, Chargé de Recherche CNRS
- Arnaud Robert, Maitre de Conférences Université Joseph Fourier
- Silvia Scorza, Directrice de Recherche CNRS
- Anne Stutz, Chargée de recherche CNRS, responsable de groupe
Equipe de recherche : doctorants et post-doctorants
- Guillaume Chemin, doctorant projet RICOCHET
- Joël Dai, doctorant projet DUNE
- Joshua Pinchault, doctorant projet DUNE
- Thomas Kosc, postdoctorant projet DUNE
Personnels des services techniques
- C. Bernard, M. Chala, M. Rousseau (service détecteurs & instrumentation)
- G. Bosson, J.L. Bouly, J. Bouvier, O. Bourrion, C. Li, N. Ponchant, J.P. Scordilis, D. Tourres, Ch Vescovi (service électronique)