L’expérience Double Chooz se dote d’un 2ème détecteur de neutrinos

Ses mesures complèteront celles du premier détecteur, installé depuis cinq ans, afin d’étudier, dans le cadre de l’expérience Double Chooz, les caractéristiques des neutrinos, ces particules élémentaires presque insaisissables produites en abondance notamment dans le Soleil et dans les réacteurs nucléaires.

Construit à 400 mètres du cœur des réacteurs de la centrale, ce second détecteur est inauguré le 25 septembre 2014 en présence de représentants du CNRS et du CEA, et des autorités locales, qui soutiennent activement cette implantation.

Après sa mise en service au cours de l’automne, le détecteur captera les neutrinos produits dans les cœurs des deux réacteurs de la centrale, situés à 400 mètres. Ces données seront comparées à celles collectées par l’autre détecteur, installé à 1 kilomètre de ces réacteurs. La différence de composition attendue est due à une métamorphose des neutrinos, qui changent de caractéristiques au cours de leur trajet. L’expérience Double Chooz est fondamentale pour permettre de comprendre ce phénomène, et ainsi compléter le Modèle standard de la physique des particules1.

Étudier les « saveurs » des neutrinos grâce aux centrales nucléaires

Les neutrinos, particules un million de fois plus légères que les électrons, sont un sous-produit connu des réactions nucléaires « beta ». Ils sont ainsi produits dans des réacteurs nucléaires en fonctionnement, mais aussi dans la croûte et le manteau terrestre, le corps humain, ou encore les étoiles, le Soleil étant la source de neutrinos la plus abondante sur Terre. Ils peuvent naître sous trois formes ou « saveurs », comme disent les physiciens. Mais ils ont cette propriété étonnante, appelée « oscillation », de changer de « saveur » en se déplaçant, en fonction de leur énergie et de la distance parcourue. Ces « oscillations » dépendent de trois paramètres (nommés « angles de mélange »), dont deux sont connus avec une bonne précision. Le troisième est bien plus petit et difficile à mesurer précisément, et c’est sur cette mesure que portent les efforts de l’expérience Double Chooz.

L’expérience Double Chooz

Le projet Double Chooz est né en 2003 d’une collaboration internationale2, à l’initiative de chercheurs du CEA et du CNRS. En 2009, un premier détecteur a été installé dans un laboratoire souterrain, construit par EDF dans les années 1990 à 1 kilomètre des cœurs des réacteurs de la centrale. Ce dispositif a permis, en 2011, de détecter la transformation des neutrinos durant leur vol, découverte confirmée dès 2012 par les autres expériences internationales. Depuis lors, une course mondiale à la précision s’est engagée pour mesurer le troisième angle de mélange des neutrinos. A Chooz, la mise en service d’un second détecteur va permettre d’y participer efficacement. D’ici trois ans, le paramètre manquant devrait y être mesuré avec une précision de 10 %.

[ Photomultiplicateurs tapissant les parois de la cuve du second détecteur de l’expérience Double Chooz, dit détecteur "proche", sur le site de la centrale nucléaire de Chooz dans les Ardennes. L’expérience Double Chooz a pour but de mesurer le troisième angle de mélange des neutrinos, nommé Theta1.3. Ce détecteur permet d’observer les neutrinos dans l’état dans lequel ils se trouvent lorsqu’ils sont proches.© CNRS Photothèque/APC / Jean-Luc ROBERT ]

A l’image du premier détecteur, ce second instrument est constitué d’une cuve cylindrique de dix mille litres remplie d’un mélange d’huiles minérales. Un tel volume est nécessaire car les neutrinos interagissent très faiblement avec la matière : ils traversent murs, montagnes, et êtres vivants, pratiquement sans interaction. Afin d’en détecter un, il faut donc « interposer » au parcours des neutrinos une grande quantité de matière. Chaque jour, cet instrument ne détectera que 300 neutrinos environ, sur les centaines de milliards de milliards qui le traverseront. Par ailleurs, le détecteur est enfoui sous 50 mètres de roches et protégé par plusieurs enceintes concentriques pour l’isoler du rayonnement cosmique et de la radioactivité naturelle ambiante.

La comparaison des résultats de Double Chooz avec ceux d’autres expériences similaires en Chine (Daya-Bay) et en Corée (RENO) et d’accélérateurs de particules (T2K au Japon) facilitera la conception de projets pour explorer l’origine de l’asymétrie entre matière et antimatière observée dans l’Univers. En effet, selon la théorie du Modèle standard, qui prédit le comportement de la matière depuis le début de l’Univers, le Big Bang aurait créé a priori autant de matière que d’antimatière, il y a 13,7 milliards d’années. Mais la matière est observée en surabondance aujourd’hui. Les neutrinos pourraient bien détenir la clé de cette énigme.

Le laboratoire abritant ce deuxième détecteur a été financé par le FEDER (Fonds européen de développement régional), la région Champagne-Ardenne, le département des Ardennes, la communauté de communes Rives de Meuse, EDF, le CNRS et le CEA.

Notes :
1 Le modèle standard de la physique des particules est la théorie scientifique qui décrit la structure de la matière à l’échelle de ses composants les plus élémentaires, et la façon dont les particules élémentaires interagissent entre elles.
2 comprenant 30 instituts en Allemagne, au Brésil, en Espagne, aux États-Unis, en France, au Japon et en Russie.