L’expérience SoLid a pour but de résoudre l’une des grandes énigmes actuelles de la physique des neutrinos. Entre autres résultats surprenants, plusieurs expériences récentes ont observé un déficit dans le taux de neutrinos détectés au voisinage de réacteurs nucléaires. Ces anomalies pourraient être dues à l’existence d’un nouvel état du neutrino (au-delà des états électroniques, muoniques et tauiques déjà connus), le neutrino stérile, dont la masse serait proche de 1 eV. Si un tel état existe, une fraction des antineutrinos électroniques émis par un réacteur devrait ''osciller'' durant les 10 premiers mètres de leur parcours, pour se transformer en neutrinos stériles indétectables. La meilleure façon de résoudre cette énigme consiste donc à détecter des antineutrinos électroniques pour la première fois dans cette région: observer ou non une modulation de leur flux en fonction de la distance et de l’énergie confirmera ou infirmera l’existence d’un tel neutrino stérile.
Le détecteur SoLid a été conçu pour être un outil de pointe dans la recherche du neutrino stérile. Son déploiement auprès d’un réacteur dédié à la recherche ( BR2, au SCK-CEN de Mol, en Belgique) lui offre les conditions de bas bruits de fond qui maximiseront ses performances. L’enrichissement de son combustible à 92% en 235-U permettra par ailleurs d’obtenir la meilleure mesure du flux d’antineutrinos émis par les produits de fission de cet isotope particulier. C’est un ingrédient clef des prédictions de flux dont dépendront d’autres expériences dans le futur.
Le détecteur
Installé en surface et à proximité immédiate du réacteur BR2, le détecteur de SoLid doit faire face à des bruits de fond importants et rester un détecteur de petite taille, dictée par l’espace disponible aux abords du réacteur. Mesurer précisément la position des neutrinos détectés est aussi crucial pour découvrir une oscillation. Une fine segmentation du détecteur et une capacité élevée à distinguer les neutrons des particules ‘’électromagnétiques’’ (positron, électron, gammas) est nécessaire pour répondre à ces défis. Une technologie innovante permet à SoLid de le faire mieux que les technologies communément utilisées jusqu’à ce jour pour ce genre de mesure.
Le détecteur de SoLid est ainsi fait de 50 plans de détection comportant chacun 256 cubes (16*16) de scintillateur plastique (PVT) de seulement 5 cm d’arête. Ils sont isolés optiquement les uns des autres, et deux de leurs faces sont couplées à des feuilles de 6LiF:ZnS(Ag). Les cubes de PVT constituent la cible où les antineutrinos se convertissent en un positron et un neutron. Leur mesure en coïncidence (dans une fenêtre de 500 us) signe la détection d’un antineutrino. Les cubes détectent les positrons via la lumière de scintillation émise lorsqu’ils y déposent leur énergie. Les feuilles de 6LiF:ZnS(Ag) assurent la capture des neutrons et l’émission d'un signal de scintillation très différent de celui des positrons, électrons ou gammas dans le PVT, permettant de les distinguer efficacement.
Deux prototypes ont permis de confirmer les performances attendues pour cette nouvelle approche [1-4]: NEMENIX en 2013 (4*4*4 cubes ; 8 kg), puis SM1 en 2015 (16*16*9 ; 288 kg). Ce dernier prototype, d’échelle identique à celle de l’un des 5 modules qui constitueront SoLid, a été financé par Subatech (Mines Carnot) et installé à 5.5 m du BR2.
La phase I de l’expérience SoLid, débutée fin 2017, se poursuivra jusqu’en 2021. Si les anomalies décrites plus haut sont bien dues à un neutrino stérile, il sera découvert. Les implications de cette découverte sur notre compréhension de la physique des particules seront alors considérables. Dans le cas contraire, l’existence d’une telle particule sera exclue avec un haut degré de probabilité.
Nos activités
Le groupe SoLid de Subatech a eu un rôle central dans la conception, la construction et l’exploitation de cette expérience. Il est aussi le porteur du projet ANR qui constitue l’épine dorsale de la contribution Française. C’est à Subatech qu'a été conçue la structure mécanique du détecteur et du blindage qui réduit les bruits de fond environnementaux. Le groupe a ensuite participé à l’assemblage du détecteur. Il coordonne aussi les analyses de physique, auxquelles il participe activement. Il est responsable de la calibration et de la reconstruction des objets électromagnétiques. Il contribue aussi à la simulation du détecteur.
La collaboration
La collaboration SoLid regroupe environ 50 physiciens issus de 10 instituts de recherche répartis en France, en Belgique, au Royaume-Uni et aux États-Unis.
Trois autres laboratoires de l’in2p3 (LPC Caen, LPC Clermont, LAL) participent à cette expérience.
Contact
Frederic Yermia (Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.)
Quelques references :
http://pos.sissa.it/archive/conferences/234/071/EPS-HEP2015_071.pdf
http://pos.sissa.it/archive/conferences/234/080/EPS-HEP2015_080.pdf
http://pos.sissa.it/archive/conferences/234/086/EPS-HEP2015_086.pdf
http://pos.sissa.it/archive/conferences/234/083/EPS-HEP2015_083.pdf