Les résultats finaux de l’expérience STEREO rejettent l’hypothèse des neutrinos stériles

Après plusieurs années de fonctionnement, la collaboration STEREO a publié les résultats finaux de ses études sur les antineutrinos. Avec leurs données, les chercheurs ont exclu les indices de l’existence de neutrinos stériles, un état de neutrinos supplémentaire attendu dans de nombreuses théories. Le résultat, qui paraît dans le numéro du 11 janvier de La naturea des implications importantes pour de nombreux domaines de la physique fondamentale.

Dans la physique des particules moderne, toutes les particules élémentaires connues et leurs interactions sont décrites dans le soi-disant modèle standard de la physique des particules. Le modèle inclut les neutrinos, particules inventées en 1930 par Wolfgang Pauli afin de respecter les lois universelles de conservation de l’énergie. Les neutrinos sont très légers, électriquement neutres et n’interagissent que par la force électrofaible. Par conséquent, ils sont extrêmement difficiles à détecter. Une détection expérimentale directe n’a eu lieu qu’en 1956.

Aujourd’hui, trois types différents de neutrinos sont connus. Ces neutrinos peuvent changer d’identité entre ces différents états en raison de leur masse très faible mais non nulle. Ces soi-disant oscillations de neutrinos ont été établies il y a environ deux décennies.

En 2011, une précision accrue a conduit à une anomalie entre le flux d’antineutrinos observé et prédit émis par les réacteurs nucléaires. Ceci a déclenché l’hypothèse de l’existence d’un état supplémentaire du neutrino qui serait stérile c’est-à-dire n’interagissant pas via l’interaction faible. Cette particule pourrait aussi éventuellement expliquer des phénomènes physiques encore mal connus, comme la matière noire.

Pour tester sans ambiguïté cette hypothèse des neutrinos stériles et déterminer leurs propriétés, l’expérience STEREO a été conçue et mise en service en 2017 au réacteur de recherche nucléaire à haut flux de l’ILL Grenoble. Un détecteur composé de six éléments identiques a été placé à seulement 10 mètres du cœur du réacteur.

Le projet a bénéficié de l’expérience accumulée au cours de plusieurs générations d’expériences sur les neutrinos en réacteur. A l’abri de l’environnement extérieur, les cellules du détecteur étaient idéalement positionnées pour rechercher avec une précision sans précédent la signature des neutrinos stériles : des distorsions dépendantes de la position dans leur distribution d’énergie devaient apparaître à faible distance du réacteur.

Désormais, la collaboration STEREO, composée de chercheurs du Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) à Heidelberg en Allemagne et des instituts français CEA Saclay, CNRS, des universités Grenoble Alpes et Savoie Mont Blanc ainsi que de l’Institut Laue-Langevin (ILL) ont publié leurs derniers résultats combinant l’ensemble des données : Les physiciens ont confirmé une anomalie dans le flux de neutrinos émis par les réacteurs nucléaires, mais les neutrinos stériles n’en sont cependant pas la cause.

« Nous avons pu observer un total de plus de 100 000 neutrinos dans les années 2017 à 2020, mais nous n’avons pu déterminer aucune trace de potentiels neutrinos stériles au sein de ces mesures », explique Christian Buck, l’un des principaux chercheurs de l’expérience du MPIK. . « Très probablement, les anomalies observées résultent d’incertitudes sous-estimées dans les données nucléaires des désintégrations radioactives utilisées pour la prédiction du flux plutôt que des expériences sur les neutrinos elles-mêmes. »

Bien que ce résultat rejette assez fortement l’hypothèse des neutrinos stériles, il sert de support supplémentaire au modèle standard et à sa teneur en neutrinos.

Outre la recherche de neutrinos stériles, l’expérience STEREO fournit également la mesure la plus précise à ce jour du spectre des antineutrinos issus de la fission de l’Uranium-235. Il est destiné à être utilisé comme spectre de référence pour les futures expériences de réacteurs de haute précision, telles que la détermination de la hiérarchie de masse des neutrinos ou les essais à basse énergie du modèle standard. De plus, des mesures de précision de ce type pourraient aider à mieux comprendre les phénomènes se produisant lors d’un arrêt de réacteur, par exemple.

Les chercheurs de MPIK ont apporté d’importantes contributions, tant à la construction du détecteur STEREO qu’à l’analyse des données. Par exemple, les liquides très particuliers du détecteur ont été développés, produits et caractérisés au MPIK. En particulier, le scintillateur liquide chargé au gadolinium, qui forme le cœur du détecteur, provient de MPIK.

Une autre contribution cruciale sont les systèmes de remplissage très spéciaux et les capteurs de lumière pour mesurer les signaux lumineux après la réaction des neutrinos dans le détecteur. Dans le domaine de l’analyse, le groupe MPIK était actif dans la reconstruction énergétique, la détermination du rendement et la coordination des analyses.