L’Experience Double Chooz

 

L’expérience Double Chooz conçue par des physiciens de l’APC, est aujourd’hui une collaboration internationale entre des Européens (France, Allemagne, Espagne, Royaume-Uni), des Japonais, des Américains, des Brésiliens et des Russes. Elle consiste en deux détecteurs performants d’antineutrinos s’installant auprès des réacteurs de la centrale de Chooz. Elle se propose d’améliorer notre connaissance des oscillations des neutrinos, en particulier du dernier angle de mélange inconnu, q13.


Notre connaissance de la physique des neutrinos s'est grandement améliorée dans les quinze dernières années. On sait que les neutrinos oscillent d'une saveur à une autre et que des paramètres (différences entre les carrés des masses, angles de mélanges) régissent ces oscillations. Ces différences ont été mesurées, deux des angles de mélanges ont été précisés, et, à l’heure actuelle, seul un des trois angles de mélange reste inconnu. Il pourrait même être nul. On n’en connaît en effet qu’une limite supérieure sur cet angle, qui a été obtenue en France, lors d’une expérience auprès du réacteur de Chooz, dans les Ardennes. Le laboratoire du collège de France, maintenant incorporé dans APC, avait joué un grand rôle dans cette expérience. La nouvelle expérience, élaborée et impulsée par des physiciens d’APC et du CEA/Saclay, reprend le même site expérimental de Chooz.


La possibilité d’étudier les symétries fondamentales des leptons, et notamment des neutrinos, dépend de façon critique de cet angle. En effet, les effets étudiés sont proportionnels au produit des 3 angles de mélange. Si l’un d’eux est nul, cette possibilité disparaît. Les expériences ont mesuré deux de ces angles, et leurs valeurs s’avèrent grandes. Il reste à s’assurer que le troisième angle ne sera pas trop petit. En pratique, l’angle doit être suffisamment grand pour être mesurable dans l’expérience Double Chooz, et c’est ce qui justifie l’importance de cette expérience pour la communauté internationale.

Double Chooz se propose de mesurer ce troisième paramètre par la comparaison très précise des flux de neutrinos à deux distances différentes des cœurs de la centrale. Deux détecteurs identiques sont indispensables, l’un à environ 400 m et l’autre à 1 000 m des cœurs. Chaque détecteur occupe un cylindre (7 m de diamètre et de 7 m de hauteur). Ils doivent être protégés des rayons cosmiques par une couverture de roche (20 m pour le détecteur proche et 100 m pour le détecteur lointain).


Les antineutrinos utilisés dans l'expérience sont ceux produits par les deux réacteurs de la centrale nucléaire de Chooz-B opérées par EDF. Ils sont situés dans les Ardennes, dans le nord-est de la France, tout près de la frontière belge, dans un méandre de la Meuse. Les deux réacteurs nucléaires de Chooz sont du type "N4" le plus récent (avec 4 générateurs), avec une puissance thermique de 4.27 GWth chacun. Ce sont des réacteurs à eau sous pression (PWR), alimentés par du combustible UOx. Ils constituent le type de réacteur le plus puissant en fonction dans le monde. La puissance thermique moyenne, tenant compte des arrêts, est 7.4 GWth (le facteur global de charge est approximativement 80 %).


Le laboratoire de neutrino de la première expérience de CHOOZ, localisé à 1,05 kilomètre des deux cœurs, a été réaménagé pour accueillir le détecteur lointain. Il offre une protection de 300 m.w.e. de rocher.


Afin d'annuler les erreurs systématiques provenant des réacteurs nucléaires et de réduire grandement l'ensemble des erreurs systématiques liées au détecteur et à la procédure de sélection d'événement, un deuxième détecteur sera installé plus près des cœurs nucléaires, à une distance où les effets d’oscillation ne se font pas encore sentir. Après étude, le site choisi est situé sous une butte existante à 400 m des cœurs et offrira une couverture de 120 m.w.e. de roche.


Le premier de ces détecteurs finit de se construire, pour enregistrer ses premières données en juin 2010. Après six mois de bonnes données le résultat de l’expérience Chooz-1 sera amélioré par ce détecteur. Le laboratoire souterrain proche sera livré début 2011, et le détecteur proche, construit plus vite que le premier grâce à l’expérience acquise, sera en prise de données à la fin 2011, ce qui permettra de continuer à améliorer la limite mondiale.

 
 
Les antineutrinos sont détectés par la réaction beta-inverse : la cible est constituée des protons libres d’un scintillateur liquide, le positron dépose son énergie avant de s’annihiler et renseigne sur l’énergie de l’antineutrino, le neutron se thermalise et est capturé par le gadolinium avec une émission d’environ 8 MeV.


Les détecteurs de Double Chooz se composent de plusieurs volumes cylindriques emboîtés. Les détecteurs proches et lointains sont identiques au moins à l'intérieur de la structure de soutien des photomultiplicateurs. Ceci permettra à une normalisation relative de l'erreur systématique de 0.6 %.


En partant du centre de la cible les éléments du détecteur sont comme les suivants (voir le schéma) : deux réservoirs emboîtés de matière plastique acrylique, transparente aux photons UV et visibles contiennent les liquides cibles dopées au gadolinium et celui du « gamma-catcher ». Ces deux liquides assurent une parfaite définition du volume d’interaction des neutrinos d’une part avec une grande efficacité de détection des gammas produits lors de cette détection. Ces enceintes sont conçues pour résister aux liquides aromatiques et en assurer la stabilité


L’enceinte contenant la cible est un cylindre de 246 centimètres de haut et de 230 centimètres de diamètre, elle a 8 millimètres d'épaisseur. Il contient un volume de cible de 10,3 m3. Le liquide de la cible est xxxx avec 0,1 % en masse de gadolinium.


Le gamma-catcher est une mémoire tampon de 55-cm d’épaisseur, contenant 22,6 m3 du même scintillateur liquide que la cible mais sans gadolinium. Cette mémoire tampon autour de la cible est nécessaire pour mesurer efficacement les gammas résultant de la capture du neutron sur Gd et de l'annihilation du positron, et elle permet un rejet des neutrons rapides. La région tampon épaisse de 105-cm contient un liquide non scintillant (114,2 m3) qui sert à diminuer le bruit de fond accidentel (principalement la contribution de la radioactivité des photomultiplicateurs).


L’enceinte de la mémoire tampon est faite d'acier inoxydable de 3-mm. 534 phototubes (10 pouces) sont montés de la surface intérieure de cette enceinte.


Une cheminée permet non seulement le remplissage des différents liquides mais aussi l’introduction de plusieurs systèmes d’étalonage.


Le volume le plus externe de 50 cm d’épaisseur est rempli de scintillateur liquide vu par des photomultiplicateurs pour servir de veto actif contre les muons ou les radiations venant de l’extérieur. La cuve contenant ce liquide est faite par l’APC. Finalement, un blindage d’acier de 17 cm d’épaisseur enferme l’ensemble du détecteur lointain pour réduire encore la radioactivité de la roche, cette partie est aussi sous la responsabilité de l’APC ; pour réduire les perturbations sur les photomultiplicateurs, l’ensemble des barres d’acier composant ce blindage a été démagnétisé.

 

LE DEtecteurs de DOuble CHooz

Collaboration DOuble CHooz 2007, dirige par Herve de Kerret (in2p3-cnrs/APC)

M.Cribier (text) A.Cabrera (design)

Monday, 23 November 2009