03/02/2011 - Des chercheurs espagnols participent à une expérience pour mesurer un paramètre inconnu du neutrino

Menéame

Un groupe de scientifiques du Centre de recherches énergétiques, environnementales et technologiques (CIEMAT), organisme public de recherche rattaché au Ministère de la science et de l’innovation, participe à l’expérience Double Chooz, une collaboration internationale de 35 institutions qui vient d’achever la construction du premier de ses deux détecteurs et commence à obtenir des données. Située dans la région française de Las Ardenne, cette expérience détecte des antineutrines produits dans une centrale nucléaire pour mesurer le dernier paramètre inconnu dans l’oscillation du neutrino, phénomène par lequel cette énigmatique particule se transforme en trois types de neutrinos qui existent. Cette mesure contribuera à améliorer les futures expériences en physique des neutrinos, qui permettront en outre d’autres applications telles que la mise au point d’instruments capables de détecter des activités nucléaires en dehors des traités internationaux.

Le neutrino est une particule proposée par Wolfgang Pauli en 1930 pour compenser la perte d’énergie observée dans la désintégration bêta du neutron. En théorie, il devrait être une particule sans charge électrique, ni masse, ni soumise à une interaction forte (une des quatre forces fondamentales), de sorte qu’il serait difficilement détectable. Ces qualités lui ont valu des appels comme celui de "particules fantômes": chaque deuxième milliard de neutrinos provenant du soleil "sont à travers" la Terre, et nous avec elle, sans que nous nous en rendions compte.

Outre les désintégrations produites dans le noyau des étoiles et d’autres sources astrophysiques (supernovas, rayonnement cosmique de fond), les centrales nucléaires produisent de grandes quantités d’antineutrines, l’antiparticules du neutrino (l’antiparticule est identique à la particule sauf en raison de sa charge électrique opposée, bien que dans le cas du neutrino, en l’absence de charge, elle diffère dans d’autres paramètres comme l’esprit ou l’angle de rotation de la particule). Ainsi, l’existence de la "particules fantômes" a été démontrée en 1956 dans une expérience qui a détecté des antineutrins provenant de la centrale nucléaire de Savannah River, en Caroline du Sud (États-Unis), découverte qui a été utile par le Nobel à Frederick Reines en 1995.

La théorie qui définit les particules fondamentales et leurs interactions, le Modèle Standard, distingue trois types de neutrinos (neutrine de l’électron, neutrino du muon et neutrino du tau, chacune des trois familles de particules qui, à côté des quarks, forme la matière que nous voyons). L’oscillation du neutrino, la transformation de la particule de l’un à l’autre, a été la réponse à l’un des mystères posés par l’étude de cette splendeur: en mesureant les neutrinos de l’électron provenant du Soleil, on a détecté un nombre inférieur à celui prévu. La solution était que sur le chemin de la Terre, les neutrinos "scilent" se transforment en d’autres types, qui n’étaient pas détectés.

Cette découverte a changé la théorie, car si les neutrinos oscillaient, ils devaient avoir de la pâte (même si elle est si petite qu’elle n’a pas encore été mesurée avec précision), et elle a rapporté le Nobel de physique en 2002 aux scientifiques qui l’ont détecté, Raymond Davis Jr. et Masatoshi Kostiba. L’oscillation du neutrino dépend de trois "paramètres de mélange," dont deux, les plus courants, ont déjà été déterminés. Le troisième, appelé "theta 13" (₁₃), n’a pas encore été mesurée, et c’est l’objectif de l’expérience où travaillent les chercheurs espagnols.

Double Chooz, où, outre le CIEMAT, des chercheurs du Brésil, du Royaume-Uni, de la France, de l’Allemagne, du Japon, de la Russie et des États-Unis participent, est le premier d’une nouvelle génération d’expériences sur les neutrinos produits dans des réacteurs nucléaires dont l’objectif fondamental est la mesure de ce paramètre fondamental de la physique des neutrinos. L’expérience a un coût total de 12 millions d’euros, dont 5% financés par le Ministère de la science et de l’innovation dans le cadre du Plan national de physique des particules.

L’expérience consiste en deux grands détecteurs situés à proximité de la centrale nucléaire de Chooz (Las Ardenne, France). Le premier, situé à un kilomètre des réacteurs, vient d’être rempli d’un liquide scintillateur (qui absorbe l’énergie de l’interaction des antineutrins et émet de la lumière) développé pour cette expérience et a commencé à recueillir des données. La comparaison entre le nombre de neutrinos mesuré et celui attendu selon les calculs théoriques permettra d’améliorer la sensibilité au paramètre theta 13 dès la première année de fonctionnement. Le deuxième détecteur, situé à 400 mètres, sera opérationnel en 2012.

"A cette distance, on ne s’attend pas à une transformation significative d’un type de neutrino en un autre, mais la comparaison des résultats sur les deux détecteurs permettra de déterminer le theta 13 avec plus de précision," assure Inés Gil, chercheur du CIEMAT. Le centre du détecteur ou "blanc de neutrinos" se compose de 10 mètres cubes de liquide scintillateur entouré de trois couches d’autres liquides pour l’isoler de la radioactivité ambiante. 390 photomultiplicateurs transforment les interactions en signaux électriques, qui sont traités par un système d’acquisition de données prêt à fonctionner au cours des 5 prochaines années.

Un groupe de chercheurs du département de recherche fondamentale du CIEMAT a participé à la phase de conception, de construction et de mise au point de ce détecteur, avec l’appui du Centre national de physique des particules, des astroparticules et du nucléaire (CPAN, Consolider 2010). L’activité du groupe CIEMAT s’est concentrée sur le système de photomultiplicateurs, sa caractérisation et son étalonnage, l’implémentation de son blindage pour minimiser les effets du champ magnétique, la conception et la construction de ses éléments mécaniques de fixation au détecteur et le développement de divers composants électroniques du système de "read-out" et de haute tension. L’activité du groupe espagnol dans les prochains mois sera l’analyse des données et l’obtention des premiers résultats.

Neutrines pour la paix

La physique des neutrinos a été au cours des 50 dernières années l’une des zones les plus fructueuses en physique des particules: cinq prix Nobel ont été décernés pour des découvertes liées au neutrino. La mise en place de nouveaux détecteurs comme Double Chooz assure qu’il le restera. Mais les expériences sur les neutrinos ne se limitent pas seulement à la recherche fondamentale: un groupe de scientifiques de Double Chooz a proposé d’utiliser les principes développés pour la détection des neutrinos de centrales nucléaires pour élaborer un instrument pouvant être utilisé pour détecter des essais nucléaires en dehors des traités internationaux. L’Agence internationale de l’énergie atomique a manifesté son intérêt pour ce type d’initiatives, dont l’une des plus avancées est la construction du détecteur Nucifer.

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