Fifrelin et Stereo traquent ensemble le neutrino stérile
Publié par Adrien le 05/12/2019 à 08:00
Source: CEA

(c) JL Baudet/ILL
Une collaboration entre la DEN et l'Irfu permet de porter la précision du détecteur compact de neutrinos Stereo au meilleur niveau, pour la traque de l'hypothétique neutrino "stérile".

L'expérience 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 Probes)....) (Sterile reactor oscillation) 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 métonymique, la recherche scientifique...) un neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) qui n'interagirait que par gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) avec les autres particules. Après quelques mètres de parcours, il pourrait cependant osciller vers un des trois types de neutrinos déjà connus et ainsi signer sa présence. L'existence de ce neutrino discret, dit stérile, expliquerait le déficit de neutrinos observés à proximité des réacteurs nucléaires et ouvrirait une porte vers une nouvelle physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un...), au-delà du modèle standard de la 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 l'appelle aussi physique des hautes énergies car de...).

Stereo est installé à dix mètres du Réacteur (Un réacteur peut désigner :) à haut flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans...) de l'Institut Laue-Langevin (L'Institut Laue-Langevin (ILL), nommé ainsi en l'honneur des physiciens Max von Laue (physicien allemand 1879-1960) et Paul Langevin (physicien français 1872-1946) est un organisme de recherche international, il a été...), à Grenoble. Si le neutrino stérile existe, son 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 que soit le domaine.) vers un autre état sera observable (Dans le formalisme de la mécanique quantique, une opération de mesure (c'est-à-dire obtenir la valeur ou un intervalle de valeurs d'un...) à travers des distorsions induites dans les spectres de neutrinos standard, mesurés dans les six cellules successives de Stereo.

À cette distance, plus de 1015 neutrinos issus des désintégrations radioactives des produits de fission traversent chaque seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité...) le liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) scintillant du 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 été...) mais un seul neutrino est intercepté en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous identiques sans changer...) toutes les 4 minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au...) ! Il est donc impératif de protéger l'expérience de multiples sources susceptibles de brouiller ces signaux rarissimes.

Heureusement, les physiciens disposent d'une signature spécifique du neutrino. Le neutrino "actif" réagit avec un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) du détecteur en produisant, dans l'état final, un positon et un neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les protons, sont...). Le neutron est ensuite capturé par un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie...) de gadolinium (en suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de particule. En géomorphologie, la suspension est un mode de transport des...) dans le liquide) qui émet une cascade de rayons gamma à 8 MeV, nettement au-dessus de la plupart des signaux parasites.

Cependant 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 sont employés depuis la nuit des temps par...) à 8 MeV est dégradé en raison des dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien...) resserrées du détecteur car seule une partie de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) des rayons gamma de la cascade est déposée à l'intérieur du détecteur, le restant s'échappant à l'extérieur. Pour obtenir une efficacité de détection de Stereo au pourcent près, il faut décrire très précisément les cascades gamma du gadolinium.

C'est pourquoi les physiciens des particules ont noué une collaboration avec leurs collègues de la DEN, à Cadarache (Le centre de Cadarache est un centre de recherche nucléaire français situé dans les Bouches-du-Rhône, au confluent du Verdon et de la Durance sur un site de 1 625 hectares sur la commune de...), experts en simulation numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information dite...). En décrivant la production et la désexcitation des fragments de fission, leur code Fifrelin permet de tester des modèles pour la compréhension du processus de fission et fournit des 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.) nucléaires pour la physique des réacteurs.

Avec Fifrelin, il est possible de modéliser la cascade d'émission de gammas et d'électrons issus de la désexcitation d'un noyau de gadolinium ayant capturé d'un neutron. Après calcul de toutes les probabilités de transitions partielles entre les niveaux d'énergie des nucléons, le code échantillonne des millions de cascades électromagnétiques, avec une maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs pays et correspond à différents niveaux selon...) simultanée du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) et de l'énergie des rayons gamma. Ces cascades sont ensuite utilisées dans la simulation de la réponse du détecteur Stereo.

Cette rencontre fructueuse accompagne à point (Graphie) nommé l'évolution de Stereo vers la haute précision. La technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) des scintillateurs dopés au gadolinium étant largement employée pour la détection des neutrinos, cette avancée profite déjà à d'autres projets. Dix millions de cascades du gadolinium simulées par Fifrelin ont ainsi été mises à la disposition de la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.).

Références:
Improved STEREO simulation with a new gamma ray spectrum of excited gadolinium isotopes using FIFRELIN, Eur. Phys. J. A
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