Recherche d'oscillations à très courte distance avec un détecteur au Lithium6 auprès du SCK-CEN BR2 – SoLid

Le détecteur SoLid est un détecteur hautement segmenté en 3D (8000 voxels/m3) basé sur une technologie de scintillation double. Les antineutrinos électroniques interagiront principalement dans le volume actif du détecteur par désintégration bêta inverse (IBD) sur des noyaux d'hydrogène, produisant un positron et un neutron dans l'état final : ¯?e + p ? e+ + n.
Les approches expérimentales utilisent la technique de coïncidence, qui consiste à détecter à la fois le positron et le neutron, dans une courte fenêtre temporelle, généralement jusqu'à des centaines de microsecondes. Le neutron se thermalise généralement par des collisions élastiques dans le détecteur, après quoi il peut être capturé par des noyaux ayant une section efficace de capture des neutrons élevée. Ainsi, il induit typiquement un signal de scintillation qui est retardé dans le temps par rapport à la lumière de scintillation provoquée par le positron et ses photons gamma d'annihilation correspondants. Le délai entre les deux signaux peut être réglé par le choix des éléments de capture des neutrons ainsi que par leur concentration et leur distribution dans le corps ainsi que leur concentration et leur distribution dans le détecteur.
SoLid a opté pour une combinaison de deux scintillateurs. L'un est le polyvinyltoluène (PVT), un scintillateur en plastique relativement bon marché qui est généralement facile à usiner dans n'importe quelle forme ou géométrie souhaitée, et l'autre est du ZnS(Ag) utilisé avec le 6LiF pour capturer les neutrons thermiques via la réaction : 6Li + n ? 3H + a (4,78 MeV), pour laquelle les produits de désintégration induisent à leur tour une scintillation dans le scintillateur ZnS(Ag). Il s'agit d'un scintillateur en plastique d'usage général qui émet en moyenne 10 000 photons par MeV d'énergie déposée par des électrons dans la bande de longueur d'onde bleu-violet, avec une longueur d'onde d'émission maximale de 425 nm. Le choix du PVT est principalement motivé par son bon rendement lumineux et sa réponse énergétique linéaire sur une large gamme d'énergies allant de 100 keV à plusieurs MeV. Il combine une grande longueur d'atténuation optique d'environ 380 cm, avec un temps de décroissance des impulsions de scintillation de 2,1 ns. Le scintillateur 6LiF:ZnS(Ag) pour la détection des neutrons est produit par SCINTACOR, sous la forme d'écrans minces. Ces écrans émettent des photons à une longueur d'onde d'émission maximale de 450 nm.
La nature de la réaction de capture des neutrons et le temps de décroissance de la scintillation plus long de 10 µs pour le scintillateur 6LiF:ZnS(Ag) permettent de discriminer la forme de l'impulsion entre les signaux induits dans les écrans de détection de neutrons par une réaction nucléaire dans les écrans de détection des neutrons via l'interaction nucléaire, et les signaux induits via des processus électromagnétiques dans le PVT.

L'analyse des IBD, s'est construite au fil des années grâce à toutes les contributions des groupes français, dans le cadre de cet ANR. L'analyse a démontré des performances relativement bonnes performances compte tenu de l'énorme niveau de fond auquel SoLid est confronté (contamination non pévue BiPo des couches de ZnS). Une autre analyse utilisant le BDT uniforme (uBDT) de nos collègues britanniques a montré des résultats similaires. Ceci est illustré sur la figure (gauche) où le rapport signal/bruit de fond (S/B) en fonction de l'excès de candidats MII par rapport au bruit de fond par jour, qui dépend du score BDT, est représenté pour les deux analyses. L'analyse gBDT est en bon accord avec la prédiction tandis que l'analyse uBDT est plus fluctuante autour de la prédiction. Ces résultats ont été utilisés pour une recherche d'oscillations et des contours de sensibilité préliminaires ont été produits, comme indiqué sur la figure (droite). Ces résultats ont été présentés en 2021 aux conférences d'été. En 2022, vu les derniers progrès, nous espérons exclure à mieux que plus de 90% CL le meilleur ajustement de RAA.

En 2022, sur la base du travail accumulé ces dernières années, le retour d'expérience a permis d'atteindre une sensibilité très satisfaisante pour la recherche d'oscillations à courte distance.
La collaboration est enfin en train de finaliser ses analyses qui permettront de balayer une partie du paramètre de phase complémentaire aux autres expériences (Stereo, Prospect). De plus, l'utilisation d'une technologie différente renforce cette complémentarité (erreurs systématiques de détection différents). Les premiers résultats seront publiés mi-2023.
Enfin, malgré l'objectif final qui a dû être réévalué en termes de sensibilité (S/B plus faible que prévu), le financement de l'ANR a permis la production d'une mesure complète pour la recherche de l'oscillation à courte distance fermant le chapitre du neutrino stérile à la masse eV2. Il a également permis de former jeunes doctorants et chercheurs postdoctoraux dans le domaine expérimental des neutrinos. Enfin, la technologie SoLid a ouvert la voie à des recherches de pointe en matière de détection des antineutrinos des réacteurs et, plus généralement, des particules chargées. Une partie du consortium est aujourd'hui impliquée dans le projet LiquidO qui repose sur un milieu scintillateur liquide opaque lu par des fibres à décalage de longueur d'onde et des SiPMs. La segmentation étudiée par SoLid sera cette fois apportée par l'opacité du milieu et un rendement lumineux plus élevé est attendu. Sa R&D est en cours et l'ANR a financé un de ses volets d'innovation (LPET-OTECH 2021) ainsi que l'Europe (AM-OTECH, EIC PATHFINDER 2021). L'expérience accumulée dans SoLid n'est pas du tout étrangère à ces développements révolutionnaires. L'expertise acquise dans le cadre du projet SoLid de l'ANR est donc fondamentale pour de nouvelles innovations et pour sonder plus précisément le modèle standard et au-delà.

- Y. Abreu et al. “A novel segmented-scintillator antineutrino detector”. In: JINST 12.04 (2017), P04024. doi: 10.1088/1748-0221/12/04/P04024.
- Y. Abreu et al. “Performance of a full scale prototype detector at the BR2 reactor for the SoLid experiment”. In: JINST 13.05 (2018), P05005. doi: 10.1088/1748- 0221/13/05/P05005
- Y. Abreu et al. “Commissioning and Operation of the Readout System for the SoLid Neutrino Detector”. In: JINST 14.11 (2019), P11003. doi: 10 . 1088 / 1748 - 0221 / 14 / 11 / P11003
- Y. Abreu et al. “Development of a Quality Assurance Process for the SoLid Experiment”. In: JINST 14.02 (2019), P02014. doi: 10.1088/1748-0221/14/02/P02014.
- Y. Abreu et al. “SoLid: a short baseline reactor neutrino experiment”. In: JINST 16.02 (2021), P02025. doi: 10.1088/1748-0221/16/02/P02025

Le neutrino est l’un des ingrédients les plus énigmatiques de la physique des particules. Du fait de sa faible interaction avec la matière et malgré d’énormes progrès expérimentaux, sa nature et ses propriétés fondamentales demeurent inconnues : Dirac/Majorana, phase de violation de CP, masse, autres saveurs… Les derniers résultats des expériences mesurant l’angle de mélange t13, Double Chooz, Daya Bay et RENO ont mis en évidence un excès d’événements inattendu entre 4-6 MeV par rapport aux prédictions. Cette déformation spectrale signale un désaccord entre les modèles de production des antineutrinos réacteurs et les données mesurées. De plus, trois anomalies expérimentales indépendantes (anomalie réacteur, Gallium, LSND MiniBooNE,) appuient l’hypothèse de l'existence d’une nouvelle famille de neutrino, qualifiée de stérile car n’interagissant pas par interaction faible. Dans ce contexte, de nouvelles contraintes expérimentales sont indispensables.

A ce titre, le projet SoLid constitue l’unique opportunité pour la communauté d’obtenir un jeu de données suffisamment complet et précis du flux de neutrino à très courte distance d’un réacteur nucléaire. Il permettra de tester in fine l’hypothèse d’une quatrième saveur stérile et fournira dans le même temps une mesure de référence pour l’Uranium 235, indispensable aux calculs de prédiction du flux utilisé dans les mesures actuelles et futures.

La qualité du projet SoLid repose sur deux points forts sans équivalent : la source d’antineutrino et la technologie de détection. L’expérience prend place auprès du réacteur de recherche hautement enrichi BR2 du SCK-CEN (Mol, Belgique) permettant la mesure d’oscillation pour des distances comprises entre 5.5 et 12 m. Outre ce bras de levier important, le site se distingue par son environnement de bruit de fond exceptionnellement bas et par l’absence de contrainte d’accès au site. Le dispositif expérimental repose quant à lui sur une technologie innovante de détection neutron très finement segmentée. L’utilisation de couches de 6LiF:ZnS permet de discriminer distinctement le signal neutron et la segmentation, de localiser les interactions antineutrinos et de rejeter efficacement les sources de bruit de fond importantes. Combiné à l’environnement favorable de BR2, notre dispositif permet d’obtenir une sensibilité sans précédent.

Début 2015, un module à grande échelle de 288kg (SM1) a été construit et a pris plusieurs jours de données réacteur ON avant l’arrêt du BR2 pour maintenance. Les résultats démontrent clairement les capacités d’un détecteur segmenté combiné à des techniques d’analyse sophistiquées, qui mènent à gagner plusieurs ordres de grandeurs sur la réjection du bruit de fond. La prise de données physique débutera en octobre 2016 pour une période d’au moins 2 ans. Ce projet est mené par une collaboration internationale, composée de onze laboratoires regroupant une cinquantaine de physiciens. Les trois partenaires, Subatech LAL et LPC, ont depuis le commencement du projet des contributions clefs : conception mécanique, simulation de la géométrie du cœur du réacteur BR2, spectres antineutrinos, simulation géant4/mcnp et analyse. Cette forte implication a permis au coordinateur d’être responsable de l’analyse pour SoLid.

Notre proposition est de construire dix plans de détection (320 kg) pour augmenter la masse fiducielle et la longueur du détecteur. Les groupes français mèneront plusieurs études spécifiques sur la recherche d’oscillations et la comparaison du spectre en énergie de l’Uranium 235 avec celui obtenu par le détecteur proche de Double Chooz. Ces contributions consolideront notre role leader dans une expérience qui promet d’apporter une réponse à l’existence des neutrinos stériles. A plus long terme et au niveau international, les nouvelles mesures du spectre Uranium 235 améliorera la précision des expériences futures.