L'expérience STEREO a présenté de nouveaux résultats basés sur la détection d’environ 65000 neutrinos à courte distance du réacteur de recherche de l’ILL à Grenoble. L'amélioration de la précision rejette l'hypothèse d'un 4^ème neutrino dans une grande partie de l’espace des paramètres autorisés. Bénéficiant d’un bon contrôle de la réponse du détecteur, STEREO a également présenté ses premières mesures absolues du taux de neutrinos et de la forme du spectre.

Particules omniprésentes, les neutrinos sont étudiés dans toutes sortes de détecteurs pour tester la théorie du Modèle Standard, pour observer l'intérieur des réacteurs nucléaires ou des étoiles, ou pour étudier les phénomènes les plus violents aux plus grandes échelles de l'Univers. La détection des faibles signaux laissés par les neutrinos est entrée dans une ère de haute précision, révélant de nouvelles anomalies par rapport aux prédictions. L'objectif de l'expérience STEREO est de réaliser un test direct de l'existence d'un hypothétique 4^ème neutrino, qui permettrait de résoudre l’énigme du déficit de neutrinos détectés à proximité des réacteurs nucléaires (l'anomalie de neutrinos de réacteur).

Le détecteur STEREO est installé depuis fin 2016 à 10 m du cœur du réacteur de l'Institut Laue-Langevin (ILL) à Grenoble en France. Il mesure précisément les taux et les spectres d'énergie des neutrinos émis par le cœur dans 6 cellules de détection identiques. S'il existe un 4^ème neutrino, il doit "osciller" avec les neutrinos standard, induisant un motif unique de distorsions spectrales d'une cellule à l'autre. Cependant, les spectres mesurés dans les 6 cellules du détecteur STEREO ont des formes similaires qui nécessitent une analyse minutieuse. Le résultat présenté réduit considérablement le domaine d'existence du 4^ème neutrino (Figure 1). En continuant à collecter des données, STEREO améliorera sa sensibilité et testera des zones avec des amplitudes d'oscillations encore plus faibles.

Figure 1 : Sont montrées les valeurs possibles des paramètres d’oscillation vers un 4ème neutrino et les valeurs maintenant exclues par les résultats de l’expérience STEREO. L’axe vertical correspond à la masse et à la fréquence d’oscillation vers un tel neutrino et l’axe horizontal à son amplitude. Les courbes en noir délimitent les scénarios auparavant les plus probables, avec une étoile marquant le cas le plus vraisemblable. La région en rouge est rejetée par les mesures de l’expérience STEREO, avec un degré de certitude de 90%. La région en bleue représente la sensibilité théorique de réjection de l’expérience STEREO pour une précision statistique correspondant à 185 jours de données.

Au-delà de la comparaison d'une cellule à l'autre, une tâche plus difficile consiste à contrôler la réponse absolue du détecteur. Le résultat de STEREO est d’un grand intérêt car le combustible nucléaire du cœur du réacteur de l’ILL est fortement enrichi et que les neutrinos détectés proviennent de la fission d'un isotope unique, l’ ²³⁵U, et non d'un mélange de 4 isotopes de fission comme c’est le cas dans les réacteurs commerciaux. Le taux absolu de neutrinos et la forme du spectre en énergie ont été gardés cachés lors de l'analyse des données de STEREO. Ils ont été " dévoilés " pour la première fois après avoir défini l'évaluation de toutes les erreurs systématiques et la procédure d'analyse. La figure 2 montre que STEREO fait d’ors et déjà partie des mesures les plus précises du taux de neutrinos de fission ²³⁵U, ajoutant une information précieuse dans le test de l'anomalie du réacteur. La forme du spectre en énergie mesurée par l’ensemble des 6 cellules montre un accord remarquable avec la forme prédite pour un spectre pur de ²³⁵U jusqu'à 6,3 MeV, mais des écarts au-delà des incertitudes estimées sont également observés aux énergies les plus élevées. STEREO n'a pas encore exprimé tout son potentiel. Des observables d’étalonnage complémentaire sont à l'étude pour réduire encore les incertitudes sur la forme du spectre et STEREO devrait collecter autant de neutrinos que ceux déjà acquis d'ici la mi-2020 !

Figure 2 : Rapport entre le taux de neutrinos mesuré par STEREO et le taux attendu (point bleu). Ce nouveau résultat est en bon accord avec l'ensemble des mesures effectuées sur des réacteurs fonctionnant avec un combustible nucléaire fortement enrichi en ²³⁵U (points noirs et moyenne pourpre). La nouvelle moyenne mondiale, incluant le résultat STEREO est indiquée en rouge. Une extraction du taux de neutrinos de l’ ²³⁵U obtenu indépendamment à partir des mesures des expériences Daya-Bay et Reno réalisées auprès de réacteurs commerciaux fonctionnant avec un combustible mixte est présentée à des fins de comparaison (point vert).

Figure 3 : Spectre neutrino mesuré par STEREO (points noirs) comparé à la prédiction normalisée (ligne jaune, l'intégrale du spectre prédit est égale à l’intégrale du spectre mesuré).

STEREO est une expérience franco-allemande conçue et exploitée par une équipe de scientifiques de l'Irfu-CEA à Saclay, de l'Institut Laue-Langevin à Grenoble, du Laboratoire de physique des particules d'Annecy (LAPP), du Laboratoire de physique subatomique et cosmologique de Grenoble (LPSC) et du Max-Planck Institute für Kernphysik à Heidelberg, Allemagne (MPIK).

Le Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (LPSC, Université Grenoble Alpes/ CNRS/ Grenoble INP/ LPSC-IN2P3) est particulièrement impliqués dans cette expérience depuis sa conception. Le LPSC a été chargé de la protection du détecteur vis à vis des bruits de fond (détecteur de muons, blindages mu-métal et polyéthylène), de l’électronique d’acquisition de données et du système d’étalonnage avec LED du détecteur. Les physiciens du LPSC assurent l’essentiel de la responsabilités de la prise de données : depuis la coordination de la prise de données, l’expertise de l’acquisition, le transfert des données au CCIN2P3, l’expertise du software STEREO. Ils ont aussi une contribution majeure dans l’analyse des données : sélection du signal et interprétation statistique en terme d’oscillation et poursuivent leurs efforts afin d’améliorer encore la précision de la mesure.

Pour en sovoir plus: lien vers la présentation faite par Laura Bernard, doctorante au LPSC, lors de la session Electroweak des 54ème Rencontres de Moriond le 19 mars 2019.

Contact : Anne Stutz