Modélisation de spectres antineutrino de réacteur

Modeling of reactor antineutrino spectra

• Auteur / Autrice : Lorenzo Périssé
• Direction : Xavier Mougeot, Matthieu Vivier, Anthony Onillon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 20/09/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département de physique des particules (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Alessandra Tonazzo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : José Busto, Patrick Huber, Laurent Simard, Jaime Dawson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : José Busto, Patrick Huber

Mots clés

Mots clés contrôlés

Désintégration bêta

Modélisation prédictive

Particules (physique)

Réacteurs nucléaires

Neutrinos

Mots clés libres

Neutrino

Réacteur

Particule

Modélisation

Calcul numérique

Désintégration β

Neutrino

Reactor

Particle

Modeling

Numerical computation

.β decay

Résumé

Au cours des dernières décennies, les expériences visant à mesurer des antineutrinos menées à courtes et longues distances de réacteurs nucléaires et utilisant des détecteurs basées sur la désintégration β inverse (IBD) ont révélé un déficit systématique et significatif d'antineutrinos détectés par rapport aux flux prédits. Outre cet écart de flux, appelé anomalie des antineutrinos de réacteur (RAA), une différence dans la forme des spectres mesurés par rapport aux prédictions reflétant l'état de l'art a été observée. Aucune preuve d'un biais expérimental n'a été mis en évidence comme étant à l'origine de ces divergences, et l'interprétation de la RAA comme une nouvelle oscillation de neutrino avec un état stérile est pour l’instant défavorisée par de récentes expériences placées à courtes lignes de vol d’un réacteur. La validité des prédictions est aussi remise en question comme source des divergences observées, ce qui a motivé une révision des modèles de spectres d'antineutrino de réacteur. Dans ce contexte, une nouvelle prédiction a été développée et est présentée dans cette thèse de doctorat.Les antineutrinos de réacteur sont émis lors de la désintégration β⁻ des produits issus de la fission du combustible nucléaire (²³⁵U, ²³⁸U, ²³⁹Pu, ²⁴¹Pu). Lors d’une telle transition, un noyau excité éjecte en corrélation un électron et un antineutrino.La probabilité d’émission totale et les spectres en énergie associés à chacune de ces deux particules sont caractéristiques du noyau initial et du noyau final, et dépendent de leurs structures nucléaire et atomique. Le spectre antineutrino émis par un cœur de réacteur résulte ainsi de la superposition de milliers de spectres β. La prédiction revisitée est basée sur la méthode par sommation qui consiste à modéliser chacune de ces transitions β. Une modélisation avancée de la théorie de la désintégration β a été utilisée pour inclure différents effets dus à l'interaction électromagnétique entre l'électron émis et le noyau fils par un traitement numérique. Les données nucléaires expérimentales les plus récentes sont utilisées pour modéliser les milliers de désintégrations contribuant au spectre antineutrinos d'un réacteur, incluant les mesures de spectroscopie d'absorption totale γ. Une propagation détaillée des incertitudes associées à la fois à la modélisation et à l'évaluation des données nucléaires a également été effectuée, permettant de générer un budget d'incertitude cohérent et conservatif pour les spectres ainsi modélisés. La nouvelle modélisation par sommation est finalement comparée à l'état de l'art des prédictions de spectre de réacteur, et ses améliorations et limitations sont discutées en considérant des jeux de données IBD collectées par de récentes expériences réacteurs à courtes et longues lignes de vol.

Over the last decades, antineutrino experiments conducted at short and long baselines from nuclear reactors and using detection techniques based on the inverse β-decay (IBD) have revealed a systematic and significant deficit of detected antineutrinos compared to the predicted fluxes. Besides this flux discrepancy, called the reactor antineutrino anomaly, a difference in the shape of the measured spectra compared to state-of-the-art predictions has been observed. No evidence for an experimental bias has so far been detected as the origin of these discrepancies, and the interpretation of the reactor antineutrino anomaly as a neutrino oscillation with a sterile neutrino state is currently disfavored by recent very short baseline reactor experiments.The validity of the predictions is also questioned as the source of the observed discrepancies, and has motivated a revision of the modelings of reactor antineutrino spectra. In this context, a revisited prediction has been developed and is presented in this PhD dissertation. In a nuclear reactor, antineutrinos are typically emitted during the β-decays of the products originating from the fission of four actinides making up more than 99% of the thermal power released in the core (²³⁵U, ²³⁸U, ²³⁹Pu, ²⁴¹Pu). During a beta decay, an excited nucleus ejects in correlation an electron and an antineutrino.The total emission probability and the energy spectra associated to each of these two particles are characteristic of the parent and daughter nuclei, and depend on their nuclear and atomic structures. The antineutrino spectrum emitted by a reactor core then results from the superposition of thousands of β spectra. The revised prediction is based on the summation method which consists in modeling each of these β transitions. An advanced modeling of the β-decay theory has been used to include various effects due to the Coulomb interaction between the emitted electron and the daughter nucleus through a numerical treatment.The latest evaluated nuclear data are used to model the thousands β-decays contributing to a reactor antineutrino spectrum, including the most recent data from total absorption gamma spectroscopy measurements. A thorough propagation of the uncertainties associated to both the modeling and the nuclear data evaluation has also been investigated, allowing to produce a consistent and conservative uncertainty budget for the revisited spectra.The new summation modeling is finally compared with other state-of-the-art predictions, and its improvements and limitations are discussed in regards to IBD datasets from recent short and long baseline reactor experiments.