Des antineutrinos de réacteur détectés dans de l'eau pure lors d'une première expérience

Pour la première fois, de l’eau pure a été utilisée pour détecter les antineutrinos de faible énergie produits par les réacteurs nucléaires. Le travail a été réalisé par la communauté internationale Collaboration SNO+ et pourrait conduire à de nouveaux moyens sûrs et abordables de surveiller les réacteurs nucléaires à distance.

Situé à 2 km sous terre près d'une mine active à Sudbury, au Canada, le détecteur SNO+ est le successeur de l'ancien Observatoire de neutrinos de Sudbury (SNO). En 2015, le directeur du SNO McDonald's a partagé le prix Nobel de physique pour la découverte expérimentale de l'oscillation des neutrinos, ce qui suggère que les neutrinos ont des masses minuscules.

Les neutrinos sont difficiles à détecter car ils interagissent rarement avec la matière. C’est pourquoi les détecteurs de neutrinos ont tendance à être très grands et sont situés sous terre, là où le rayonnement de fond est plus faible.

Au cœur de SNO se trouvait une vaste sphère d’eau lourde ultra-pure dans laquelle les neutrinos énergétiques du Soleil interagissaient très occasionnellement avec l’eau. Cela produit un éclair de rayonnement qui peut être détecté.

Des mesures minutieuses

SNO est actuellement amélioré en SNO+ et, dans le cadre du processus, de l'eau normale ultra pure a été temporairement utilisée comme milieu de détection. Celui-ci a été remplacé par un scintillateur liquide en 2018, mais pas avant que l’équipe ait pu effectuer une série de mesures minutieuses. Et ceux-ci ont donné un résultat surprenant.

"Nous avons découvert que notre détecteur fonctionnait à merveille et qu'il était peut-être possible de détecter les antineutrinos provenant de réacteurs nucléaires éloignés en utilisant de l'eau pure", explique Marc Chen. Il est le directeur de SNO+ et est basé à l'Université Queen's à Kingston, au Canada. "Des antineutrinos de réacteurs ont déjà été détectés à l'aide de scintillateurs liquides dans de l'eau lourde, mais utiliser uniquement de l'eau pure pour les détecter, en particulier à partir de réacteurs éloignés, serait une première."

Il était difficile de détecter les antineutrinos des réacteurs dans l’eau pure car les particules ont des énergies inférieures à celles des neutrinos solaires. Cela signifie que les signaux de détection sont beaucoup plus faibles et sont donc facilement submergés par le bruit de fond.

Fond inférieur

Dans le cadre des améliorations apportées au SNO+, le détecteur a été équipé d'un système de gaz de couverture à l'azote, ce qui a considérablement réduit ces taux de fond. Cela a permis à la collaboration SNO+ d’explorer une approche alternative pour détecter les antineutrinos des réacteurs.

Le processus de détection implique qu'un neutrino interagisse avec un proton, entraînant la création d'un positron et d'un neutron. Le positon crée un signal immédiat tandis que le neutron peut être absorbé quelque temps plus tard par un noyau d'hydrogène pour créer un signal retardé.

"Ce qui a permis à SNO+ de réaliser cette détection, ce sont des arrière-plans très faibles et une excellente collecte de lumière, permettant un seuil de détection d'énergie faible avec une bonne efficacité", explique Chen. "C'est cette dernière – conséquence des deux premières caractéristiques – qui a permis l'observation d'antineutrinos interagissant dans l'eau pure."

« Une douzaine d'événements »

"En conséquence, nous avons pu identifier une douzaine d'événements pouvant être attribués aux interactions des antineutrinos dans l'eau pure", explique Chen. "C'est un résultat intéressant car les réacteurs qui ont produit ces antineutrinos se trouvaient à des centaines de kilomètres." La signification statistique de la détection des antineutrinos était de 3.5σ, ce qui est inférieur au seuil d'une découverte en physique des particules (qui est de 5σ).

Des antineutrinos de réacteur détectés dans de l'eau pure lors d'une première expérience

Le résultat pourrait avoir des implications pour le développement de techniques utilisées pour surveiller les réacteurs nucléaires. Des propositions récentes ont suggéré que les seuils de détection des antineutrinos pourraient être abaissés en dopant l’eau pure avec des éléments comme le chlore ou le gadolinium – mais les résultats de SNO+ montrent désormais que ces matériaux coûteux et potentiellement dangereux ne sont peut-être pas nécessaires pour obtenir la même qualité de résultats.

Bien que SNO+ ne puisse plus effectuer ce type de mesure, l’équipe espère que d’autres groupes pourront bientôt développer de nouveaux moyens de surveiller les réacteurs nucléaires en utilisant des matériaux sûrs, peu coûteux et facilement accessibles, à des distances qui ne perturberont pas le fonctionnement des réacteurs.

La recherche est décrite dans Physical Review Letters.

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• La source: https://physicsworld.com/a/reactor-antineutrinos-detected-in-pure-water-in-an-experimental-first/