Détection de neutrinos: calibrer des bolomètres grâce à des neutrons

Publié par Redbran le 05/01/2022 à 13:00
Source: CEA

(c) NUCLEUS
Des chercheurs de l'Irfu valident le principe d'une nouvelle calibration bolométrique utilisant des neutrons lents dits thermiques. Celle-ci est parfaitement adaptée à la détection de neutrinos par mesure du "recul" de noyaux de tungstène (Le tungstène est un élément chimique du tableau périodique de symbole W (de...), qui sera prochainement mise en oeuvre à l'Irfu.

Les bolomètres sont des thermomètres extrêmement précis qui permettent de mesurer l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) déposée par certaines particules. Ils bénéficient aujourd'hui à la fois de seuils de détection extrêmement bas (quelques dizaine d'eV) et de masses suffisantes (jusqu'à une centaine de grammes) et ouvrent la voie à la détection:
- de particules d'une hypothétique matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre), traduction de l’anglais...) "légère",
- d'un nouveau processus d'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) neutrino-matière qui offre des tests complémentaires du modèle standard de la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants...) (expérience NUCLEUS à l'Irfu).

Observer l'interaction entre un neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des...) et un noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de...) reste cependant un défi expérimental. Elle génère en effet un recul infime du noyau atomique qui "bouscule" les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) voisins (soit une énergie d'à peine 100 eV), provoquant un échauffement de quelques cent-millièmes de degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines...). Si un tel signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) est aujourd'hui détectable, il est nécessaire de calibrer le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) dans un régime d'énergies (inférieures au keV) jusque-là inexploré, où les modèles théoriques actuels ne s'appliquent pas.

Or cette calibration est extrêmement délicate. Un neutrino incident transfère une fraction de son énergie à un noyau atomique qui la cède à son tour au cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que...):
- en le faisant vibrer (création de phonons),
- en perturbant le cortège électronique des atomes voisins (ionisation ou émission de lumière),
- en créant des défauts cristallins si l'énergie transférée est suffisante pour déloger plusieurs noyaux de leurs sites.

La répartition entre ces différents "canaux" d'énergie est très variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle...), ce qui incite à choisir une procédure de calibration la plus proche possible du phénomène à observer: l'interaction neutron-noyau. En effet, un neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) se comporte de la même manière qu'un neutrino ou une particule de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) noire:
- il ne perturbe pas le cristal en le traversant,
- il est capturé dans le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) du cristal (et pas seulement en surface),
- la désexcitation du noyau qui l'a capturé produit un recul de même nature.

Après capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui...) d'un neutron, un noyau se désexcite en émettant un photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...) γ. Cette émission s'accompagne du recul du noyau qui dépose alors toute son énergie dans le cristal du bolomètre (Un bolomètre est un détecteur élémentaire de rayonnement électromagnétique. Son principe est...). Ainsi par exemple, le noyau de tungstène (W) d'un bolomètre en CaWO4 libère une énergie voisine de 100 eV, connue avec précision.

C'est le principe de la méthode CRAB (Calibration by Recoil for Accurate Bolometry) développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) par l'Irfu pour l'expérience NUCLEUS. Il a été validé par une simulation numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) de la calibration et de tous les phénomènes parasites (rayons cosmiques, neutrons du faisceau non capturés, rayons gamma extérieurs) grâce à deux codes de calcul:
- le code de neutronique "Toucans" élaboré à l'Irfu pour optimiser les sources de neutrons compactes,
- le code de désexcitation des fragments de fission "Fifrelin", développé par des équipes de la DES (Cadarache) pour la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) des réacteurs.

La simulation d'une calibration continue pendant trois jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) et demi conduit à un spectre en énergie comptant deux pics à 112 eV et 160 eV bien identifiables, associés aux isotopes 183W et 184W du tungstène naturel.

La méthode CRAB sera validée expérimentalement par une expérience d'irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou...) d'un bolomètre de NUCLEUS en CaWO4 avec un faisceau de neutrons fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι...) par le réacteur (Un réacteur peut désigner :) TRIGA (TRIGA est une catégorie de petit réacteur nucléaire, conçue et réalisée par la compagnie...) Mark-II de Vienne (Autriche).

Cette thématique, qui intéresse également la physique du solide, a suscité une nouvelle collaboration entre le CEA-Irfu et la DES (ISAS à Saclay) via une thèse (Une thèse (du nom grec thesis, se traduisant par « action de poser ») est...) en co-tutelle.

Références:
Calibration of nuclear recoils at the 100 eV scale using neutron capture, JINST
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