JUNO : un détecteur de 20 000 tonnes pour déterminer la hiérarchie des masses des neutrinos

Chine

Brève
Chine | Science de la matière : matériaux, physique, chimie, optique
5 août 2015

L’expérience JUNO, collaboration internationale dans laquelle sont impliqués 20 chercheurs français, va concevoir et exploiter en Chine du sud le plus gros détecteur de neutrinos à scintillateur liquide. Enterré à plus de 700m, JUNO participera à la hiérarchisation des masses des neutrinos.

JUNO, pour “Jiangmen Underground Neutrino Observatory”, sera le plus gros détecteur de neutrinos à scintillateur liquide du monde. Lancée en janvier 2015, la construction du site expérimental devrait durer cinq années. Le site retenu se situe à Kaiping, dans la province du Guangdong, à quelque 200 km de Hongkong. Après sa mise en service prévue courant 2020, le détecteur traquera les antineutrinos produits par les réacteurs des centrales nucléaires de Taishan (deux ou quatre réacteurs de 4,6 GWth) et de Yangjiang (six réacteurs de 2,9 GWth). Toutes deux en construction, elles généreront à terme une puissance thermique de 26 ou 36 GW selon le nombre de réacteurs installés. L’expérimentation, prévue pour durer au moins vingt ans, va bénéficier du côté chinois d’un investissement de plus de 2 milliards de Yuans (290 millions d’euros). L’Europe apportera une contribution importante en technologies et une contribution financière de l’ordre de 10 millions d’euros.

Objectifs

Particules les plus abondantes dans l’univers après les photons, les neutrinos et les antineutrinos sont émis par des sources naturelles (les étoiles, la terre, l’atmosphère) et par les réacteurs nucléaires. Plus d’un million de fois plus légers que les électrons, ils n’interagissent avec la matière qu’à travers l’interaction faible, ce qui les rend quasi insaisissables. Ils existent sous trois formes connues, ou « saveurs » : le neutrino électronique, le neutrino muonique et le neutrino tauique. Au cours de leurs déplacements, en fonction de leur énergie initiale et de la distance parcourue, les neutrinos « oscillent » entre ces trois formes. Pour décrire ces oscillations, les physiciens font appel à cinq paramètres : les différences du carré des masses qui existent entre ces trois saveurs ’Delta m212 et Delta m213’ et les « angles de mélange » ’teta12,teta13 et teta23’. L’expérience internationale de Daya Bay, également menée dans la province du Guangdong, a notamment permis d’obtenir en 2012 une première mesure de teta13 avec une précision de l’ordre de 6% (en cohérence avec les résultats de deux autres expériences).

L’objectif principal de JUNO sera de déterminer la hiérarchie des masses des neutrinos, autrement dit d’identifier le neutrino le plus lourd et le neutrino le plus léger. Deux solutions sont possibles : la hiérarchie normale (m1 < m2 < m3) et la hiérarchie inverse (m3 < m1 < m2). Les mesures des deux Delta m2 permettent aujourd’hui de savoir que deux neutrinos ont des masses très proches (m1 et m2) et que le troisième est, soit bien plus lourd, soit bien plus léger (m3). La résolution de cette inconnue représente un enjeu majeur pour les physiciens car elle aura un impact sur la compréhension de l’asymétrie matière/antimatière dans l’Univers et orientera les prochaines expériences. Marcos Dracos, directeur de recherche à l’Institut pluridisciplinaire Hubert Curien/IN2P3 de Strasbourg, et président du Conseil d’Institut de la collaboration, précise « Si la hiérarchie s’avère inverse, il existe un espoir pour que nous puissions répondre relativement rapidement à la question : « le neutrino est-il sa propre antiparticule ? » Mais si elle s’avère normale, avec les techniques actuelles, les chances sont infimes. »

Au-delà de ce problème, JUNO permettra d’affiner considérablement les mesures des paramètres décrivant les oscillations des neutrinos. Sensibles aux neutrinos provenant du cosmos, le détecteur sera également à même d’observer des neutrinos de supernovæ, si une explosion se produit au cours des 20 ans d’exploitation. Il détectera aussi les géo-neutrinos, des neutrinos produits lors de la désintégration des éléments radioactifs du manteau et de la croûte terrestre, dont l’étude renseigne sur la répartition et la concentration de l’uranium, du potassium et du thorium au sein des différentes enveloppes terrestres. Bien que le détecteur ne soit pas idéalement positionné pour les observer, les géo-neutrinos se trouvant en effet « noyés » au milieu du flux d’antineutrinos issus des réacteurs, JUNO pourrait en détecter jusqu’à 400+/-60 par an. A titre de comparaison, le plus gros détecteur à scintillateur liquide actuel, KamLAND situé à Toyama au Japon, en a détecté 116 en dix ans.

Équipements

Le détecteur, une sphère acrylique de 35 mètres de diamètre pouvant contenir 20 000 tonnes de scintillateur liquide observées par 15 000 photomultiplicateurs, sera positionné à équidistance des centrales nucléaires de Taishan et de Yangjiang. La distance choisie, 53 km, correspond à la distance optimale pour observer les oscillations pertinentes. Vingt fois plus gros que le détecteur KamLAND, il devrait détecter chaque jour une soixantaine d’antineutrinos issus des réacteurs. Marcos Dracos explique « Plus un détecteur est volumineux, plus il est difficile de maîtriser son uniformité et par conséquent d’obtenir une bonne résolution en énergie. Avec JUNO, nous devrions parvenir à mesurer le spectre en énergie des antineutrinos avec une précision de 3% (contre 6% pour KamLAND, ndlr), ce qui relève de la prouesse technologique. » Pour atteindre cet objectif, plusieurs avancées techniques sont nécessaires. Elles concernent principalement le liquide scintillant, les photodétecteurs et la maîtrise du bruit de fond. Pour ce qui est du scintillateur (un solvant contenant des particules fluorescentes), des équipes allemandes, italiennes et chinoises travaillent actuellement sur sa composition afin d’augmenter son rendement et sa transparence. Concernant les photorécepteurs, des travaux de recherche et de développement avec des industriels chinois sont en cours, notamment pour améliorer le rendement quantique. Par ailleurs, il est prévu que les photomultiplicateurs recouvrent 80% de la sphère, contre 30 à 40% dans les détecteurs actuels.

Afin de protéger le réacteur et limiter le bruit de fond causé par le rayonnement cosmique des muons, qui, par une cascade de réactions, imitent la signature des neutrinos, le réacteur sera enterré à 700 mètres de profondeur. Il sera par ailleurs entouré d’un réservoir d’eau, servant de bouclier contre la radioactivité naturelle de l’air et de la roche, et équipé de photomultiplicateurs qui détecteront les muons cosmiques qui n’auraient pas été arrêtés. Un second détecteur de muons sera installé au sommet de la sphère : le Top Tracker, une technologie développée par des chercheurs de l’IPHC/IN2P3, qui travaillent actuellement à son optimisation. Cet équipement a été utilisé dans le cadre de l’expérience OPERA (pour « Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus »), situé au laboratoire national du Gran Sasso, en Italie. Il sera bientôt démonté et envoyé par conteneurs vers la Chine où il sera installé courant 2019. Le Top Tracker permettra de reconstruire les trajectoires des muons cosmiques et ainsi d’étudier le bruit induit par ces particules. Les physiciens estiment que sur les 70 à 80 cas de bruit de fond qui seront détectés chaque jour par JUNO, moins d’un cas par jour participera effectivement à ce bruit.

Les différents acteurs impliqués

Projet international mené par l’Institute of high energy physics (IHEP – CAS), JUNO implique 349 scientifiques, 55 institutions (dont 25 chinoises) et 11 pays collaborateurs (Allemagne, Arménie, Belgique, Chine, Finlande, France, Italie, République tchèque, Russie, Taiwan et les Etats Unis, en tant qu’observateur). Côté français, cinq laboratoires de l’Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3 - CNRS) participent à ce projet : l’Institut pluridisciplinaire Hubert Curien, le Centre de physique des particules de Marseille, Subatech, le laboratoire Leprince Ringuet et le laboratoire AtroParticule et cosmologie.

Le porte-parole chinois du projet, le professeur WANG Yifang, également directeur de l’IHEP et lauréat du prix « science, technologie et environnement » Nikkei Asia 2015, considère que JUNO pourrait être le premier projet à résoudre la question de la hiérarchie des masses. D’après les chercheurs, six années de mesure seront nécessaires pour élucider le problème, soit le temps de détecter 100 000 antineutrinos (9). Parmi les autres expériences en physique des neutrinos qui s’intéressent à la hiérarchie des masses, seul le projet coréen RENO 50 qui utiliserait une technologie similaire mais qui n’a pas encore été approuvé, semble pouvoir concurrencer JUNO.

Sources

http://english.ihep.cas.cn/rs/fs/juno0815/
http://english.cas.cn/newsroom/news/201501/t20150109_135001.shtml
http://english.cas.cn/newsroom/news/201502/t20150217_140791.shtml
http://english.cas.cn/newsroom/news/201505/t20150518_147408.shtml
http://english.ihep.cas.cn/rs/fs/juno0815/PPjuno/201408/t20140801_125279.html
http://phys.org/news/2015-01-particle-physicists-discuss-juno-neutrino.html
http://arxiv.org/abs/1507.05613
http://www.ipgp.fr/sites/default/files/ngs2015_ludhova.pdf
http://www.usparticlephysics.org/sites/default/files/webform/p5/US_JUNO_P5.pdf

Rédacteur

Dora Courbon-Tavcar : dora.courbon-tavcar[a]diplomatie.gouv.fr

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