Neutrinos de réacteur

Les neutrinos de réacteur sont des antineutrinos qui naissent dans les réacteurs nucléaires. Ils sont la plus intense source de neutrinos produite par l'homme et ont fourni à la physique plus de connaissances que toute autre.

D'où ils viennent

Lors de la fission nucléaire, un noyau lourd se scinde en deux noyaux de masse moyenne. Ces fragments ont trop de neutrons et deviennent stables par une chaîne de désintégrations bêta. Chacune de ces désintégrations libère un antineutrino.

Par fission, il en naît en moyenne environ six. Un réacteur de puissance de trois gigawatts de puissance thermique émet ainsi environ 6 × 10²⁰ antineutrinos par seconde — dans toutes les directions, sans être arrêté par le béton, l'acier ni la terre.

Les énergies vont jusqu'à environ huit mégaélectronvolts, avec un maximum à quelques-uns. Pour la détection par la désintégration bêta inverse, seule compte toutefois la part au-dessus de 1,8 mégaélectronvolt — en dessous, l'énergie ne suffit pas à faire d'un proton un neutron et un positron. Seule une partie du spectre est donc visible.

Pourquoi les réacteurs sont si utiles

Quatre propriétés en font la source idéale.

Ils sont intenses. Aucun autre processus artificiel ne fournit autant de neutrinos dans un espace aussi restreint.

Ils sont purs. Il n'en sort qu'une seule sorte — des antineutrinos électroniques. Une expérience n'a donc qu'à vérifier combien il en manque, et n'a pas besoin de séparer plusieurs espèces.

Ils sont calculables. De la puissance thermique découle le nombre de fissions et de là le nombre d'antineutrinos.

Ils peuvent être arrêtés. Lors d'une révision, le réacteur est à l'arrêt et l'expérience mesure le bruit de fond pur. Il n'existe pas de meilleur contrôle négatif — et c'est précisément lui qui rendit convaincante, en 1956, la première détection d'un neutrino.

Ce qui a été mesuré avec eux

L'étendue des distances est remarquable. Les expériences antérieures se tenaient à quelques centaines de mètres du réacteur et ne trouvèrent rien — le trajet était trop court. KamLAND utilisa 180 kilomètres et trouva l'oscillation. Daya Bay choisit, avec environ 1,6 kilomètre, exactement la distance à laquelle le petit angle θ₁₃ déploie son plus grand effet.

Le choix de la distance est, dans les expériences auprès des réacteurs, la véritable décision de conception.

L'anomalie des antineutrinos de réacteur

En 2011, un nouveau calcul des taux attendus montra que les valeurs mesurées se situent environ six pour cent en dessous. Comme pour l'anomalie du gallium de SAGE, des neutrinos stériles furent envisagés comme explication.

Depuis, beaucoup d'indices suggèrent que l'écart réside plutôt dans les tables de données nucléaires que dans une physique nouvelle. Un détail plaide en ce sens : la composition du combustible change au cours d'un cycle — l'uranium 235 est consommé, le plutonium 239 apparaît —, et tous deux livrent des spectres différents. Des mesures effectuées pour différentes compositions de combustible suggèrent que l'écart se situe surtout du côté de l'uranium 235. Cela s'accorde avec une erreur dans les tables, non avec une particule nouvelle.

La question n'est pas définitivement tranchée.

Application au-delà de la recherche fondamentale

Un réacteur peut être identifié à ses neutrinos. Leur nombre et leur spectre trahissent la puissance et la composition du combustible — y compris la question de savoir si du plutonium se forme.

L'Agence internationale de l'énergie atomique poursuit donc l'idée d'utiliser les neutrinos pour la surveillance des réacteurs. Un tel détecteur pourrait être installé à l'extérieur de l'installation et ne serait pas trompable : les neutrinos ne se laissent ni blinder ni détourner.

Termes associés

• Antineutrino — ce qu'émet un réacteur
• KamLAND et Daya Bay — les grandes mesures
• Géoneutrinos — la même technique de détection, une autre source
• CEνNS

Sources

• Collaboration KamLAND : First Results from KamLAND, Physical Review Letters 90, 021802 (2003).
• Collaboration Daya Bay : Observation of Electron-Antineutrino Disappearance at Daya Bay, Physical Review Letters 108, 171803 (2012).