Recherche du neutrino stérile auprès du réacteur de l'ILL : expérience Stereo.

par Adrien Blanchet

Projet de thèse en Physique des particules

Sous la direction de David Lhuillier.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Particules, hadrons, énergie et noyaux: Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulation , en partenariat avec DSM-Institut de Recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 03-10-2016 .


  • Résumé

    La thèse proposée porte sur la physique des neutrinos de réacteurs, une thématique particulièrement active en ce moment. Le dernier angle de mélange, θ13, vient en effet d'être mesuré, ouvrant la voie vers les mesures de la violation de la symétrie CP dans le secteur leptonique. En parallèle, l'étude de plus en plus précise des spectres d'antineutrinos des réacteurs a mis à jour une déviation entre la prédiction et les mesures qui pourrait indiquer l'existence d'un nouveau neutrino, non couplé avec l'interaction faible (un neutrino stérile) et de masse autour de 1 eV/c2. L'équipe du SPhN est fortement impliquée sur ce sujet et dirige le projet Stereo, qui vise à tester l'hypothèse du neutrino stérile auprès du réacteur ILL de Grenoble. Si le neutrino stérile existe il ne pourra pas être détecté directement car il ne se couple à aucune interaction hormis la gravitation. En revanche il se manifestera lors de la propagation des 3 états « actifs » de neutrinos qui pourront se mélanger vers un état supplémentaire. Le signal recherché est alors une probabilité accrue de disparition des antineutrinos électroniques des réacteurs sous la forme d'un nouveau motif d'oscillation de période spatiale de quelques mètres. Le principe de Stereo repose sur 6 cellules de détection identiques disposées entre 8.5 et 11 m de distance du cœur du réacteur de recherche de l'ILL. La technologie retenue, un liquide scintillant dopé au Gadolinium, est dans la continuité de deux autres expériences dans lesquelles sont impliquées les équipes du CEA Saclay, Double Chooz et Nucifer. La difficulté de Stereo réside essentiellement dans la maîtrise des bruits de fond induits par le réacteur et par le rayonnement cosmique. Un important travail de caractérisation du site a été réalisé pour définir tous les blindages nécessaires. Les différentes parties du détecteur et des blindages sont actuellement en construction. Le début de la thèse proposée coïncide avec le début de la prise de données qui doit s'étaler sur environ 2 ans. Le travail demandé sur ce projet sera donc centré sur l'analyse et la simulation avec deux axes principaux à développer pour exploiter au mieux le signal neutrino: • L'étude des bruits de fond réacteur et cosmique • La caractérisation de la réponse en énergie du détecteur Ce travail couvre un large éventail de physique (scintillation liquide, neutronique, réactions de spallation, physique des réacteurs, …). La taille modeste de la collaboration de Stereo (CEA/Irfu-Saclay, CNRS/LAPP-Annecy, CNRS/LPSC-Grenoble, ILL-Grenoble, MPIK-Heidelberg, Univ. Casablanca) implique une bonne visibilité du travail de thèse et une compréhension possible de l'ensemble de l'expérience. Le travail de thèse doit aboutir à une première publication démontrant les capacités du détecteur avec une partie de la statistique, puis une publication finale avec l'optimisation des erreurs systématiques pour un test performant de l'hypothèse du neutrino stérile. Ces trois ans de thèse correspondent à une phase de transition pour le projet Nucifer également mené au sein de l'équipe du SPhN. Ce détecteur est actuellement en fin de prise de donnée auprès du réacteur de recherche Osiris du CEA-Saclay. Il a pour objectif de tester la possibilité de surveiller le contenu en plutonium d'un cœur de réacteur en mesurant l'évolution du taux de neutrinos détectés au cours du temps. Une première publication de nos résultats démontre le bon comportement de ce détecteur de conception très simple et appelle à un redéploiement vers un réacteur de puissance comme ceux du parc EDF. Cette continuation du projet Nucifer pourrait permettre à l'étudiant(e) de s'impliquer sur le test d'un nouveau liquide scintillant permettant d'optimiser le compromis entre les contraintes de rendement lumineux, de réjection du bruit de fond et de sureté. Les améliorations de la technologie de détection pour ce type de petit détecteur, installé proche de la surface, sont d'un intérêt direct pour les mesures de physique fondamentale auprès des réacteurs. Le travail proposé offre donc une formation vers un profil complet de physicien expérimentateur avec des contributions très visibles dans des collaborations de petites tailles et une approche globale de la physique des neutrinos de réacteur. Cette thématique est actuellement très active dans la communauté avec plusieurs projets concurrents à travers le monde qui doivent prendre des données dans les 3 années à venir. Ce contexte est propice à l'épanouissement d'un jeune chercheur pour une poursuite de carrière en recherche académique. Les travaux en connexion avec la physique des réacteurs, plusieurs plateformes de simulation et l'instrumentation liée à la scintillation liquide sont directement valorisables dans l'industrie.

  • Titre traduit

    Sterile Neutrino Search at short distance from the ILL research reactor : the Stereo experiment.


  • Résumé

    The topic of this PhD thesis, the study of reactor neutrinos, is particularly active at this time. Indeed the last mixing angle, θ13, has recently been measured by reactor experiments, paving the way to access the violation of the CP symmetry in the leptonic sector. In parallel, the increasingly precise study of antineutrinos spectra from reactors has revealed a deviation between the prediction and the measurements, which could indicate the existence of a new neutrino. This new neutrino state would not couple with the weak interaction (a sterile neutrino) and its mass would be around 1 eV/c2. The SPhN team is heavily involved on this topic and leads the Stereo project, which aims to test the hypothesis of sterile neutrino at the ILL reactor in Grenoble-France. If the sterile neutrino exists it cannot be detected directly because its only interactions are via gravitation. However it will manifest during the propagation of 3 active neutrinos states can mix with an additional state. The desired signal is then an increased probability of disappearance of reactor antineutrinos in the form of a new oscillation pattern of spatial period of a few meters. The principle of the Stereo experiment is based on 6 identical detector cells aligned between 8.5 and 11 m distance from the core of the ILL research reactor. The chosen detection technology, a liquid scintillator doped with gadolinium, is a continuation of two other experiments in which our team is involved: Double Chooz and Nucifer. The challenge of Stereo lies primarily in the mitigation of the large background potentially induced by the reactor and by the cosmic rays. An comprehensive characterization of the experimental site has been performed to specify the necessary shielding. The different parts of the detector are currently under construction. The beginning of the thesis coincides with the beginning of the Stereo data taking that should last for about 2 years. The work on this project will be focused on the analysis and simulation with two main axes to be developed to make the most of the neutrino signal: • the study of reactor and cosmic-rays induced backgrounds. • the characterization of the energy response of the detector. This work covers a wide range of physics like liquid scintillation, neutronics, spallation reactions, reactor physics,... The modest size of the Stereo collaboration (CEA/IRFU-Saclay, CNRS/LAPP-Annecy, CNRS/LPSC-Grenoble, ILL-Grenoble, MPIK-Heidelberg, Univ. Casablanca) implies a high visibility of the PhD candidate as well as an possible connections with all aspects of the experiment. The thesis work should lead to a first publication demonstrating the capabilities of the detector using a limited data sample and a final publication with the optimization of systematic errors for a powerful test of the hypothesis of the sterile neutrino. The candidate for this three-year PhD thesis will also witness a transition phase for the Nucifer project, conducted within the SPhN team. This neutrino experiment is currently finishing its period of data taking at the Osiris research reactor of CEA-Saclay. The motivation is to test the ability to monitor the plutonium content of a reactor core by measuring the neutrino rate over time. A first publication of our results demonstrates the good behavior of this very simple detector design and calls for a new deployment at a power reactor, like those of the EDF fleet. This continuation of the Nucifer project would allow the candidate to be involved in the testing of a new liquid scintillator aiming at optimizing the compromise between a high light yield, a good background rejection and safety. The past few years have shown that the improvements in detection technology for this type of small detectors installed near the surface are actually of direct interest for the experiments dedicated to fundamental neutrino physics. The proposed work therefore provides a good training to a full profile of experimental physicist. The small sizes of the Stereo and Nucifer collaborations are suitable for visible contributions from the candidate and comprehensive approach to the physics of the experiments. The topic of sterile neutrinos is currently very active with several competing projects around the world that expect taking data over the next three years. This environment is favorable to the development of a young researcher for a further academic research career. The work in connection with reactor physics, several simulation platforms and instrumentation associated with the liquid scintillators is directly recoverable in the industry.