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Posté par Adrien le Vendredi 12/05/2017 à 00:00
Le détecteur Stereo entre dans la course au neutrino stérile
Installé près du réacteur de recherche de l'Institut Laue-Langevin (ILL), le détecteur Sterile reactor oscillation (Stereo) prend des données depuis le 11 novembre 2016. Son objectif: tester l'existence du neutrino stérile, particule hypothétique qui remettrait en question la définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les...) actuelle de l'architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). Le Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) subatomique et de cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.) (LPSC, CNRS/Université Grenoble Alpes/Grenoble INP) et le Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On...) (Lapp, CNRS/Université Savoie Mont Blanc) sont particulièrement impliqués dans cette expérience.

Le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a...) Stereo (Stereo (Solar TErrestrial RElations Observatory) est une mission spatiale de la NASA réalisée dans le cadre du programme international d'étude des relations Soleil-Terre (Solar Terrestrial...) est un projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration...) d'envergure (L'envergure est la distance entre les extrémités des ailes. Le terme est valable pour définir un oiseau, un chiroptère, un avion (ou planeur).) qui cherche à confirmer, ou à réfuter, l'existence d'un nouvel état du neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.), le "neutrino stérile". Contrairement aux trois états déjà connus, celui-ci serait insensible aux interactions électromagnétique, forte et faible, pour n'être sensible qu'à la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles « force...) gravitationnelle. Son existence, si elle était confirmée, serait une avancée majeure pour la physique des particules et la cosmologie. Elle ouvrirait en effet la voie à des particules non accessibles par les interactions du modèle standard qui pourraient composer la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus, notamment au sujet des galaxies. Différentes hypothèses ont été émises et explorées sur la...) (qui représente 27 % de l'Univers, contre 5 % pour la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) visible) et seraient aussi impliqués dans l'asymétrie (L'asymétrie est l’absence de symétrie, ou son inverse. Dans la nature, les crabes violonistes en sont des exemples spectaculaires.) entre matière et antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière classique — celle dont est faite la Terre. Le...) au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des...) de l'Univers.


Déplacement sur coussin d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est...) de Stereo vers la position de mesure. ©Serge Claisse

L'engouement autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) du neutrino stérile a connu un nouvel élan à l'échelle mondiale en 2011 suite à la découverte par les équipes de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical...) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu, CEA) d'un déficit significatif dans le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'antineutrinos détectés à courte distance des réacteurs nucléaires. L'anomalie pourrait s'expliquer par l'existence de neutrinos stériles et plusieurs projets expérimentaux susceptibles de débusquer ces particules sont en cours.

Les réacteurs nucléaires émettent un nombre important d'antineutrinos électroniques suite à la désintégration des produits de fissions. Une partie d'entre eux disparait en oscillant vers un nouvel état indétectable par les détecteurs en place. Ce phénomène d'oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations quel...) est bien établi pour ce qui est des trois états connus des neutrinos mais l'oscillation intervient alors à grande distance de la source. Si le déficit observé est lié à une oscillation à courte distance il serait la signature d'un quatrième état du neutrino. Stereo a pour ambition d'obtenir une preuve directe de l'oscillation en la suivant sur plusieurs mètres avec un détecteur segmenté placé au plus près (10 mètres) du cœur du réacteur (Un réacteur peut désigner :) de recherche de l'ILL à Grenoble.

Un neutrino très convoité Ce type de mesures a été adopté par d'autres laboratoires de par le monde (Le mot monde peut désigner :) avec une technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) plus simple (NEOS en Corée) ou plus sophistiquée (SoLid en Belgique). D'autres expériences recherchent une oscillation avec une source de neutrinos électroniques (CeSox en Italie) ou muonique (MINOS) tandis que des expériences non dédiées (Planck, IceCube) ont déjà mis des contraintes sur l'existence d'un neutrino stérile sans que la question puisse être définitivement tranchée. L'expérience internationale Daya Bay, en Chine, est elle aussi en quête de ses fameux neutrinos stériles. Ses récents résultats auraient tendance à infirmer leur existence, ce qui augmente les défis de la compétition internationale dans ce domaine.


Détecteur interne inséré dans les blindages à l'ILL. ©Serge Claisse

La spécificité de Stereo par rapport aux expériences de même type est le cœur très compact du réacteur de l'ILL, aux émissions précises et maîtrisées. Le détecteur, lui, utilise une technologie éprouvée basée sur un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) scintillant dopé au Gadolinium.

Même si tous les paramètres n'ont pas encore été testés, les premiers résultats sont encourageants: le bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la...) induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force (moteur).) par le réacteur est conforme au cahier des charges (Un cahier des charges est un document visant à définir exhaustivement les spécifications de base d'un produit ou d'un service à réaliser. Outre les...), tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) comme le niveau de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge)....) émise et collectée. En effet, les neutrinos produits par le réacteur sont captés dans le liquide scintillant constituant le cœur du détecteur, et c'est la lumière produite par cette réaction qui est mesurée et analysée.

93 tonnes pour trouver une particule de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation...) quasi-nulle Mesurer cette lumière demande un détecteur de taille modeste (3 m x 2 m x 1,5 m), mais il faut l'entourer d'une coque de 93 tonnes de blindage et des murs d'isolation d'une masse totale de 70 tonnes. En effet, les neutrinos interagissent très peu avec la matière ordinaire et le nombre de neutrinos attendus n'est que de 400 par jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons...). Par contre, la proximité du cœur du réacteur constitue un environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques...) "bruyant" en neutrons et gammas. Pour espérer détecter les neutrinos, il faut protéger le détecteur des signaux produits par ces autres particules par des blindages de polyéthylène et de plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole...). Un autre type de particules peut également brouiller le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux...) des neutrinos, il s'agit des muons d'origine cosmique pour lesquels les blindages s'avèrent inefficaces. Il convient alors de stopper la prise de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) après le passage d'un muon (Le muon est, selon le modèle standard de physique des particules, le nom donné à deux particules élémentaires de charge positive et négative. Les muons ont une masse 207 fois plus grande que celle de l'électron...). C'est le détecteur de muons, une cuve d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) ultra-pure couvrant la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure, sa...) supérieure du détecteur, qui donnera le signal d'arrêt.


Vue du détecteur interne en cours d'assemblage au LPSC. ©Serge Claisse

La partie centrale du détecteur Stereo est remplie par le scintillateur (Un scintillateur, est un matériau qui émet de la lumière suite à l'absorption d'un rayonnement.) élaboré par l'Institut Max Planck de physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :) (MPIK Heidelberg (Heidelberg est une ville d'Allemagne située dans la vallée du Neckar, au nord-ouest du Land de Bade-Wurtemberg. Le nom de "Heidelberg" provient...), en Allemagne). Celui-ci est réparti dans les différentes cellules du détecteur interne, œuvre de l'Irfu/SPhN et il est scruté par le dessus à l'aide de détecteurs de lumière ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport individuel de type Personal Rapid Transit (PRT), autrement dit un moyen de transport automatique collectif léger permettant de se déplacer...) sensibles (des photomultiplicateurs). Le LPSC et le LAPP, ont été chargés de la protection du détecteur vis à vis des bruits de fond (détecteur "véto muons", blindages en plomb et polyéthylène), de l'électronique d'acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un bien.) de données et du système d'étalonnage du détecteur.

La première campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés habités, elle s'oppose aux concepts de ville, d'agglomération ou de milieu urbain. La campagne est caractérisée par une...) de mesure s'est arrêtée le 12 mars 2017. Elle permettra de donner une première estimation des paramètres de l'oscillation si elle existe. D'autres campagnes seront nécessaires pour confirmer ou rejeter de manière certaine l'oscillation. Le projet Stereo est soutenu financièrement par l'Agence nationale de la recherche (ANR) pour la période 2013-2017 (incluant une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) d'études et construction qui aura duré 3 ans puis la phase actuelle d'exploitation), mais aussi en France par le CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français...), le CEA et l'Institut Laue-Laungevin (ILL, Grenoble) ; en Allemagne par l'Institut Max Plank. Le projet bénéficie également du soutien du labex ENIGMASS pour l'accueil de post-doctorants et stagiaires.

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Source: CNRS-IN2P3