Ricochet se lance dans la course à l’étude de l’interaction neutrino/noyau

Cela faisait 40 ans que les théoriciens avaient prédit le phénomène du « rebond » des neutrinos sur les noyaux atomiques. Un rebond très spécial que les physiciens appellent "la diffusion cohérente élastique neutrino-noyau" (CeνNS), et dont l’observation fournirait une nouvelle façon d’explorer les propriétés du neutrino. Un rebond qui est resté surtout insaisissable durant des décennies avant qu'en 2017 la collaboration Coherent ne l'observe. Dès lors, le monde de la physique est entré en effervescence, et pas loin d’une dizaine de collaborations se sont lancées dans l’étude de cette interaction. Aujourd’hui, l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL) rejoint le concert à la faveur d’une ERC Starting Grant décrochée par l’un de ses chercheurs Julien Billard. Le coup d’envoi du projet Ricochet a été donné lors d’une réunion inaugurale qui s’est tenue les 6 et 7 mai dernier à l’IPNL en présence d'une trentaine de physiciens de laboratoires du CNRS et de laboratoires russes et américains (1).

Pour bien comprendre l’engouement autour de l’interaction neutrino/noyau, il faut savoir que son étude précise pourrait ouvrir une brèche dans le tout puissant modèle standard. Une éventualité, qui remettrait en selle nombre de théories alternatives impliquant de nouvelles particules médiatrices. Reste que, détecter et mesurer avec précision un rebond de neutrino de basse énergie sur un noyau n'a rien de trivial. Loin de là ! Le choc en question, en plus d'être extrêmement rare, provoque un ridicule échauffement d'1 millionième de Kelvin... Imperceptible pourrait-on penser, mais pas pour les chercheurs de Ricochet. "Dans l'expérience Edelweiss de détection de la matière noire" explique Alexandre Juillard (Ingénieur de recherche à l’IPNL), "nous avions créé des détecteurs capables de mesurer des dissipations de chaleur de l'ordre de quelques dizaines de micro-K. C'est donc ce même système que nous allons adapter et perfectionner pour mesurer la diffusion du neutrino." Leur système est un cristal parfait de quelques dizaines de grammes de Germanium, de Silicium, de Zinc ou bien d'Aluminium, et refroidi dans un cryostat pour que ses atomes cessent de vibrer. Résultat le cristal affiche un "encéphalogramme énergétique" totalement plat et il ne reste plus qu'à attendre qu'un neutrino y laisse sa trace. Quand un neutrino interagit avec un noyau du cristal, il déplace le noyau, provoque un réarrangement du cristal, et le petit échauffement que l'équipe cherche à mesurer.

Il faut ensuite que l'événement se produise. Hélas, les neutrinos interagissant très peu avec la matière, et la probabilité que le cristal capte un événement est juste infime. Certes les chasseurs de matière noire sont les rois de la patience, eux qui étaient à l'affut d'un événement qui ne devait se produire statistiquement qu'une fois par an dans leur détecteur, mais il ne faut pas exagérer. Les physiciens vont donc forcer le destin en allant s'installer auprès d'un réacteur nucléaire, là où les neutrinos sont produits en masse à raison d’un flux de 10¹² neutrinos par cm² et par seconde. Un déluge qui ramène la probabilité d'interaction avec un cristal d'un kilo à une dizaine d’événements par jour. Nettement plus alléchant. L'équipe de la collaboration Ricochet est donc à la recherche d'un hébergement de quelques mètres carrés avec vue imprenable sur un cœur de réacteur. Plusieurs options sont étudiées dont celle de succéder à l'expérience Stereo de mesure de l'oscillation des neutrinos auprès du réacteur de l'Institut Laue-Langevin à Grenoble. Cependant des mesures in situ doivent être conduites pour vérifier que le bruit de fond, de neutrons notamment, ne risque pas d'aveugler l'expérience. "L'idéal serait de placer le détecteur sous le réacteur d'une centrale. Il y a là des espaces protégés des neutrons et des rayons cosmiques qui s'y prêteraient parfaitement" précise Alexandre Juillard.

En attendant que le site soit définitivement choisi, les équipes vont commencer la mise au point du détecteur. L'objectif est de disposer d'un prototype fonctionnel d'ici 2 ans, d'en produire une trentaine l'année suivante. La collecte de données, prévue pour une durée d'un an devrait commencer d'ici 4 ans après l'installation de l'expérience et sa mise en service. Le modèle standard a donc encore quelques années de répit avant que le couperet ne tombe.

(1) Le projet Ricochet rassemble autour de l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL), des scientifiques du Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (LPSC), du Centre de Spectroscopie Nucléaire et de Spectroscopie de masse (CSNSM), de l'Institut Néel,  ainsi que des physiciens internationaux du Massachusetts Institute of Technology, de l’Université du Wisconsin, de Northwestern University, de l’université Amherst Massuchusetts, de JINR à Dubna.