KamLAND
KamLAND — Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector — se dresse dans cette caverne du Japon où travaillait auparavant le détecteur Kamiokande. Il a commencé à fonctionner en 2002 et a livré le constat qui a définitivement établi l'oscillation des neutrinos.
Le dispositif
Au centre est suspendu un ballon en film plastique extrêmement fin contenant 1 000 tonnes de scintillateur, entouré d'un liquide tampon, d'une cuve d'acier portant 1 879 photomultiplicateurs et enfin d'un manteau d'eau. Au-dessus s'étendent 1 000 mètres de roche.
Les antineutrinos sont détectés via la désintégration bêta inverse — avec la même coïncidence retardée de deux éclairs lumineux que Cowan et Reines avaient inventée en 1956.
Que l'installation ait pu naître dans une caverne existante a fait gagner des années. Kamiokande avait été relayé en 1996 par Super-Kamiokande et restait vide.
Un pays entier comme source
La particularité de KamLAND est la source. Au lieu d'un réacteur isolé, le détecteur utilise toutes les centrales nucléaires du Japon — à l'époque de la construction quelque 55 réacteurs, répartis sur le pays, distants en moyenne d'environ 180 kilomètres.
Cette distance était le point décisif. Les expériences auprès de réacteurs antérieures avaient des distances de quelques centaines de mètres jusqu'à un kilomètre et ne trouvaient rien. À 180 kilomètres, en revanche, se situe précisément le domaine dans lequel l'oscillation déduite des neutrinos solaires devait agir.
On pouvait ainsi trancher une question que toutes les mesures solaires laissaient ouverte : le même effet se manifeste-t-il aussi avec une source que l'on connaît, dont on peut calculer l'intensité et qui se trouve sur Terre ?
La disparition
En 2002, KamLAND a annoncé qu'il manquait des antineutrinos. Environ 40 pour cent du taux attendu n'arrivaient pas.
Cela seul ne confirmait pas nécessairement l'oscillation — d'autres explications auraient elles aussi engendré un déficit. Une désintégration des neutrinos en chemin, une fuite vers des dimensions spatiales supplémentaires : les deux avaient été sérieusement envisagées.
La forme d'onde
Le véritable triomphe a suivi deux ans plus tard. Avec davantage de données, on pouvait non seulement compter combien il en manquait, mais aussi à quelle énergie.
Et là s'est manifestée la forme caractéristique : un creux dans le spectre, puis une remontée, puis un second creux. C'est exactement ainsi que se présente une oscillation lorsqu'on la porte en fonction de l'énergie — la probabilité oscille d'avant en arrière.
Une désintégration des neutrinos aurait donné un spectre décroissant de façon lisse, une fuite vers des dimensions supplémentaires un autre. Seule l'oscillation engendre des ondes.
L'interprétation du problème des neutrinos solaires était ainsi confirmée indépendamment de toute hypothèse sur le Soleil, et la différence de masse correspondante déterminée à quelques pour cent près.
Le regard vers l'intérieur de la Terre
En 2005, KamLAND a annoncé la première détection de géoneutrinos — des antineutrinos issus de la désintégration radioactive de l'uranium et du thorium dans le manteau et la croûte terrestres.
Le site japonais y est en soi défavorable, parce que les nombreux réacteurs engendrent un fort bruit de fond. Après l'arrêt de presque toutes les centrales nucléaires japonaises à partir de 2011, les conditions se sont involontairement améliorées de manière considérable — un cas rare où une expérience a profité d'un événement extérieur à la science.
KamLAND-Zen
Depuis 2011, un ballon supplémentaire, plus petit, contenant du xénon 136 dissous dans le scintillateur, est suspendu à l'intérieur. La collaboration recherche ainsi la double désintégration bêta sans neutrinos — ce processus qui montrerait que le neutrino est sa propre antiparticule.
Le mode de construction est remarquablement économe : au lieu d'ériger un nouveau détecteur, on complète celui qui existe par un volume dans le volume. Le xénon peut en outre être extrait puis réintroduit, ce qui permet des transformations.
La désintégration n'a pas été trouvée. Les limites inférieures pour la demi-vie comptent parmi les plus strictes au monde.
Notions liées
- Neutrinos de réacteur — la source
- Daya Bay — l'autre grande expérience auprès de réacteurs
- Géoneutrinos — le regard vers l'intérieur de la Terre
- JUNO — le successeur à une échelle vingt fois plus grande
Sources
- Collaboration KamLAND : First Results from KamLAND: Evidence for Reactor Antineutrino Disappearance, Physical Review Letters 90, 021802 (2003).
- Collaboration KamLAND : Experimental investigation of geologically produced antineutrinos with KamLAND, Nature 436, 499 (2005).