next up previous
suivant: Situation des neutrinos à monter: Les sources de neutrinos précédent: Une solution aux problèmes :


Neutrinos de réacteurs nucléaires : l'expérience KamLAND

Les centrales nucléaires sont des sources importantes en antineutrinos électroniques (νe). À titre indicatif un réacteur nucléaire de 1 GW émet environ 1020 νe. De par leurs faibles énergies, les νe permettent de réaliser uniquement des expériences « de disparition », cherchant à mesurer une diminution du flux de νe comparativement aux flux sortant initialement des réacteurs nucléaires.

Le premier objectif de l'expérience KamLAND (pour Kamioka Liquid scintillator Anti-Neutrino Detector) est la détection des oscillations de νe issus des réacteurs nucléaires. Située dans la mine 2.6de Kamioka (1 000 m de profondeur i.e. 2 700 m.w.e. pour meter water equivalent), à une distance moyenne de 180 km des centrales nucléaires japonaises, KamLAND est la première expérience permettant de tester la solution LMA des paramètres d'oscillations (figure 2.3). La détection des neutrinos s'y fait par la réaction $ \beta$ inverse :

$\displaystyle \overline{{\nu}}_{{e}}^{}$ + p $\displaystyle \rightarrow$ e+ + n ,        E$\scriptstyle \overline{{\nu}}_{{e}}$ $\displaystyle \geqslant$ 1, 8MeV .

La double détection en coïncidence à 200 s de l'annihilation du positron (signal quasi-instantané) et du gamma de 2, 2 MeV issu de la capture du neutron sur un atome d'hydrogène, signe l'événement antineutrino et ce en réduisant considérablement le bruit de fond.

Figure: Vue artistique du détecteur KamLAND
\begin{figure}\begin{center}
\epsfig{file=sources_nu/figures/kamland_det.eps,height=8cm,angle=0}\end{center}\end{figure}

Le volume cible est un scintillateur liquide de 1 000 t : composé de 80% de dodécane (pour formule semi-développée C12H26), 20% de pseudocumène (C9H12) et de PPO comme fluor à une concentration de 1, 5 g. Le tout est encapsulé dans une sphère en nylon de 135 m d'épaisseur. Une zone tampon de dedodécane et d'isoparaffine, entre la sphère et la struture portant les 1879 PM, permet de se prémunir des radiations extérieures. De plus, un voile de 3 mm d'épaisseur situé tout proche des PM permet de réduire les émanations de radon dans le volume cible. Au-delà de la structure portant les PM, se trouve un volume d'eau d'une masse de 3, 2 kt, qui définit le détecteur externe. Celui-ci en association avec 225 PM sert de veto muons par la détection de la lumière Cerenkov issue de leur propagation dans l'eau. Le volume cible de KamLAND est ainsi protégé des gammas et des neutrons provenant de la roche. Le déclenchement de l'acquisition de données se fait sur le nombre de PM touchés dans une fenêtre en temps donné : le premier signal correspond à 200 PM touchés, c'est à dire à 0, 7 MeV, le second, plus bas, correspond à 120 PM touchés après s du premier déclenchement. Le détecteur interne est calibré pour des énergies de 0, 5 à 7, 5 MeV, par des sources $ \gamma$ (entre autre avec 68Ge et 65Zn) déployées dans différentes positions de l'axe vertical. Au centre du détecteur, 300 photo-électrons (p.e.) par  MeV sont observés, la résolution en énergie de KamLAND est d'environ 7, 5%/$ \sqrt{{E(MeV)}}$.

Je présente ici les résultats de la première analyse de KamLAND datant de décembre 2002 [Eguchi et al. 2003]. Les données ont été prises entre mars et octobre 2002 (soit 141, 1 jours). Les événements ayant un seuil en énergie inférieur à 30 MeV et n'ayant pas déclenché le détecteur externe sont considérés comme d'éventuels événements de neutrinos de réacteurs nucléaires. Un critère de sélection spatiale et temporelle est appliqué :

L'analyse porte sur 408 t c'est à dire 3, 46 . 1031 protons. Le rapport du nombre d'événements observés Nobs et calculés dans le cas d'une non-oscillation Nno est :

$\displaystyle {\frac{{N_{\mathrm{obs}}-N_{\mathrm{BG}}}}{{N_{\mathrm{no}}}}}$ = 0, 611±0, 085 (stat)±0, 041 : (syst) ,

NBG est le nombre d'événements associés au bruit de fond. En d'autres termes Nobs = 54 et Nno = 86, 8±5, 6.

Figure: La figure du haut présente le nombre d'événements νe réacteurs nucléaires, la contribution des g´eo provenant de la Terre, ainsi que le bruit de fond accidentel. La figure du bas présente le spectre en énergie visible observé dans le cas d'une non oscillation et dans le cas de la prise de données, avec le meilleur ajustement [Eguchi et al. 2003].
\begin{figure}\centering\epsfig{file=sources_nu/figures/spectre_kam.eps,width=10cm}\end{figure}

La figure 2.6 (figure du bas) présente le spectre en énergie visible 2.8théorique et expérimental, ainsi que le meilleur ajustement avec les données. De plus, soulignons une coupure en énergie à E $ \geqslant$ 2, 6 MeV, pour s'affranchir du bruit de fond des νe géologiques (figure 2.6 partie du haut). Les paramètres d'oscillations possibles pour les neutrinos sont présentés sur la figure 2.7. La figure représente à la fois un contour en norme et en forme. La détermination sur la norme se fait par un test du $ \chi^{2}_{}$ :

$\displaystyle \chi^{{2}}_{}$ = $\displaystyle {\frac{{(0,611-R(\sin^22\theta,\:\Delta m^2))^2}}{{0,085^2+0,041^2}}}$ ,

R(sin22$ \theta$$ \Delta$m2) est le rapport entre nombre d'événements avec oscillation et sans oscillation. La région à l'extérieur du trait plein exclut à 95 % de D.C. une oscillation neutrino.

Figure: Régions exclues et permises par KamLAND. En haut en traits pointillés les régions exclues par les expériences CHOOZ et par Palo Verde à 95 % D.C. Le point sur la figure indique le meilleur ajustement des paramètres d'oscillation : sin22$ \theta$ $ \simeq$ 1 et $ \Delta$m2 $ \simeq$ 6, 9 . 10-5 eV [Eguchi et al. 2003].
\begin{figure}\centering\epsfig{file=sources_nu/figures/final-sin.eps,width=10cm}\end{figure}

Le meilleur ajustement de données a lieu pour sin22$ \theta$ $ \simeq$ 1 et $ \Delta$m2 $ \simeq$ 6, 9 . 10-5 eV. En conclusion, KamLAND montre une disparition des neutrinos à 99, 95 % D.C. et contraint les paramètres d'oscillation très précisement.


next up previous
suivant: Situation des neutrinos à monter: Les sources de neutrinos précédent: Une solution aux problèmes :
dadoun 2004-03-11