Daya Bay

Daya Bay était une expérience sur réacteur menée dans la province chinoise méridionale du Guangdong. Elle a déterminé en 2012 le dernier angle de mélange inconnu de l'oscillation des neutrinos — et a ainsi ouvert la voie à la recherche de la violation de CP.

L'angle manquant

La matrice PMNS contient trois angles de mélange. Deux d'entre eux étaient connus au tournant du millénaire : θ₁₂ à partir des neutrinos solaires et de KamLAND, θ₂₃ à partir des neutrinos atmosphériques.

Le troisième, θ₁₃, était inconnu et possiblement nul.

Beaucoup dépendait de ce nombre. Si θ₁₃ avait été nul, la violation de CP dans le secteur leptonique n'aurait pas pu être mesurée du tout — la phase correspondante n'apparaîtrait plus dans aucune grandeur observable. La question de savoir pourquoi l'Univers est fait de matière serait restée sans réponse par cette voie.

Des expériences antérieures n'avaient encadré θ₁₃ que par le haut. Tous les indices laissaient penser qu'il était petit — la question était de savoir s'il était petit ou nul.

Le dispositif

Sur le site se dressent six réacteurs nucléaires totalisant 17,4 gigawatts de puissance thermique, l'une des sources de neutrinos les plus intenses au monde.

Daya Bay répartissait huit détecteurs de construction identique, contenant chacun 20 tonnes de scintillateur, dans trois halls souterrains : deux proches des réacteurs, à environ 500 mètres de distance, et un hall lointain à quelque 1 650 mètres.

Le scintillateur était additionné de gadolinium. Cet élément capture les neutrons avec une facilité particulière et émet ce faisant un puissant signal lumineux — ce qui rend la coïncidence retardée de deux éclairs bien plus nette.

Pourquoi la conception était décisive

Le tour de main réside dans la comparaison. Les détecteurs proches mesurent ce que les réacteurs émettent ; le détecteur lointain mesure ce qui arrive.

La plus grande incertitude disparaît ainsi. Le nombre exact d'antineutrinos qu'un réacteur émet dépend du combustible, du taux de combustion et de données nucléaires qui ne sont elles-mêmes connues qu'à quelques pour cent près. Pour une mesure où il est question d'un déficit de quelques pour cent, ce serait fatal.

Mais comme les huit détecteurs étaient de construction identique et remplis du même scintillateur issu du même lot, ces incertitudes s'éliminent presque complètement dans le rapport.

Les détecteurs ont même été échangés entre les halls en cours d'exploitation, afin d'exclure jusqu'au dernier reste de différences dues aux appareils.

Le résultat

En mars 2012, après seulement 55 jours de mesure, la collaboration a présenté un résultat : θ₁₃ est différent de zéro, avec une significativité de plus de cinq écarts types.

La valeur était en outre plus grande que ce que beaucoup attendaient — assez grande pour rendre la violation de CP mesurable avec les installations de la génération suivante.

Quelques semaines plus tard, les expériences RENO en Corée et Double Chooz en France confirmaient le constat. T2K avait fourni peu avant de premiers indices venant de l'autre direction, par l'apparition de neutrinos électroniques dans un faisceau.

Jusqu'à l'achèvement des mesures en décembre 2020, Daya Bay a déterminé θ₁₃ à environ trois pour cent près — jusqu'à aujourd'hui la valeur la plus précise.

Ce qui en a découlé

Sans ce résultat, il n'y aurait ni Hyper-Kamiokande ni DUNE dans leur conception actuelle. Tous deux sont construits pour mesurer une asymétrie entre neutrinos et antineutrinos — et que cela soit seulement possible, c'est Daya Bay qui l'a montré.

Notions liées

• Matrice PMNS — où figure θ₁₃
• Neutrinos de réacteur — la source
• T2K — la mesure venant de l'autre direction
• JUNO — le successeur en Chine

Sources

• Collaboration Daya Bay : Observation of Electron-Antineutrino Disappearance at Daya Bay, Physical Review Letters 108, 171803 (2012).
• Collaboration Daya Bay : Precision Measurement of Reactor Antineutrino Oscillation at Kilometer-Scale Baselines, Physical Review Letters 130, 161802 (2023