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Interactions Fondamentales et Nature du Neutrino

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nEDM : Mesure du moment dipolaire électrique du neutron


En 1967, A. Sakharov démontre que trois conditions sont nécessaires pour expliquer l’apparition de la matière au cours des tous premiers instants du bigbang. Aujourd’hui, deux de ces conditions ne sont pas encore expliquées par le modèle standard de la physique des particules. Les mesures de moments dipolaires électriques (EDM) de particules (électron, neutron, muon, etc…) permettent d’étudier l’une de ces conditions, à savoir la brisure de la symétrie CP. Tout moment dipolaire électrique non-nul indique une violation de cette symétrie. Les mesures ont débuté dans les années 50 et, depuis, aucune équipe n’a réussi à mettre en évidence un EDM différent de zéro. 
Dans ce cadre, la collaboration internationale nEDM, mesure le moment dipolaire électrique du neutron au Paul Scherrer Institut (PSI) en Suisse. Le Laboratoire de Physique Corpusculaire de Caen fait partie de cette collaboration. L’objectif est, si une valeur différente de zéro n’est pas découverte, d’améliorer au maximum la précision de la mesure. Le gain de sensibilité est réalisé grâce à la mise en service de la nouvelle source de neutrons ultra-froids de PSI (depuis 2011) et à l’amélioration constante du spectromètre utilisé pour la mesure. Actuellement en 2015, la sensibilité statistique journalière est suffisante pour envisager une nouvelle limite au niveau mondial sur le moment dipolaire électrique du neutron en 2016. Les erreurs systématiques sont sous contrôle et inférieures d’un facteur trois par rapport à l’erreur statistique.
Au sein de ce projet, le LPC est en charge de la détection des neutrons, de l’analyse de leur polarisation et da la conception des bobines générant les champs magnétiques nécessaires pour effectuer la mesure. Il participe également activement à la l’analyse des données en collaboration avec le LPSC Grenoble et le CSNSM. Enfin, une seconde phase est déjà initiée. Un nouveau spectromètre est en cours de réalisation. Il devrait entrer en activité à partir de 2018 et permettre d’améliorer encore la précision de la mesure afin d’atteindre des régions de sensibilité jamais explorées.




Spectromètre nEDM installé au Paul Sherrer Institut (Suisse)

 

Double désintégration bêta sans neutrino

L’expérience NEMO3


 


L’expérience NEMO3, installée au Laboratoire Souterrain de Modane (LSM), vise à observer la double désintégration bêta sans émission de neutrino à un niveau de sensibilité de 1024-25 années. La mise en évidence expérimentale de l’existence de ce processus violant la conservation du nombre leptonique prouverait la nature de Majorana du neutrino et conduirait éventuellement à des interprétations théoriques qui dépassent le cadre du Modèle Standard des particules élémentaires : échange de neutrino de Majorana massif, couplage V+A, émission de Majoron, supersymétrie. Sur la période 2007-2009, le groupe a participé principalement à deux activités : l’analyse des données de l’expérience afin d’étudier les signaux de la double désintégration du 150Nd et du 82Se, ainsi que la prise en charge du suivi quotidien des données de calibrage laser du calorimètre. Le travail d’analyse de données a été conduit dans le cadre d’une thèse, soutenue en septembre 2008. Une autre composante de ce travail a consisté à rechercher des signatures de la contamination du détecteur par le 212Bi, isotope parent d’un des radio-isotopes les plus compromettants dans l’expérience : le 208Tl. En particulier, on a recherché des topologies signant la cascade β−α retardé du 212Bi-212Po sur et dans les sources, mais également dans la chambre à fils et sur les surfaces des scintillateurs. Ces études, tant sur les processus (ββ0ν) et (ββ2ν) que sur les fonds induits par le 212Bi, intéressent tout particulièrement la phase de R&D du projet SuperNEMO (voir ci-après). Le groupe NEMO du LPC a développé un ensemble complet de bibliothèques logicielles pour l’analyse des données. Cet outil continue d’être développé et utilisé dans le cadre d’une nouvelle thèse au LPC consacrée à l’analyse du processus (ββ0ν) vers les états excités du noyau fils et d’une thèse réalisée dans un laboratoire partenaire.<


 

Le projet SuperNEMO


Le projet SuperNEMO a pour objectif de réaliser la mesure du processus (ββ0ν) à la sensibilité de 1026 années dans les 10 prochaines années, en extrapolant de plus d’un ordre de grandeur l’expérience NEMO3. Un programme de R&D validé par le Conseil Scientifique de l’IN2P3 en mars 2005, est en cours d’achèvement afin de déterminer la faisabilité et les caractéristiques de cette future grande expérience. Le groupe du LPC est engagé dans ce projet sur deux programmes : le détecteur BiPo et le développement de l’électronique front-end du calorimètre de SuperNEMO. Depuis 2006, dans le cadre d’un programme ANR, le groupe est investi dans la mise en œuvre de deux détecteurs prototypes dont l’objectif est d’étudier la capacité à mesurer des contaminations des sources ββ en 208Tl et 214Bi à des niveaux de sensibilité (quelques mBq/kg) au delà des moyens de détection usuels dans ce domaine (détecteur Germanium haute-pureté). Sur le plan des résultats de Physique, la première phase de ce programme de R&D a permis de valider la technique de mesure basée sur la détection du 212Bi par des cascades bêta-alpha à partir de sources fines de contamination connues. Le LPC participe également à la réalisation de l’électronique front-end du calorimètre de SuperNEMO. Enfin, le laboratoire est en charge de plusieurs missions transversales dans le cadre de la collaboration internationale NEMO/SuperNEMO : gestion des listes de diffusions consacrées au projet et à ses sousprogrammes, administration du site web officiel de la collaboration, gestion d’un système d’information et de contrôle de version logiciel partagé par l’ensemble des collaborateurs, responsabilité des ressources de calcul au CCIN2P3. Il reçoit pour cela le support tant des personnels techniques locaux que de celui du centre de calcul de l’IN2P3.




Module démonstrateur de SuperNEMO


SoLiD : Oscillation de Neutrino à très courte distance


Le neutrino est la particule massive la plus abondante de l’univers mais c’est également celle qui interagît le moins. De ce fait et malgré d’énormes progrès expérimentaux, c’est l’un des ingrédients les plus énigmatiques du modèle standard de la physique des particules. Sa nature et ses propriétés fondamentales restent inconnues : Dirac/Majorana, violation de CP, échelle absolue de masse, autres saveurs… Récemment, trois anomalies expérimentales indépendantes (Gallium, LSND/MiniBoone, anomalie réacteur) appuient l’hypothèse de l’existence d’une nouvelle famille de neutrino, dite stérile car n’interagissant pas par interaction faible. Dans ce contexte, le projet SoLiD (Search for Oscillation with Lithium-6 Detector) se propose de développer une nouvelle technologie de détection de neutrino, permettant une mesure robuste du flux de neutrino à très courte distance d’un réacteur nucléaire. Il se propose alors d’infirmer ou de confirmer l’anomalie réacteur et de tester in fine l’hypothèse de cette quatrième saveur stérile.
Le LPC est impliqué depuis 2013 dans le projet SoLiD, conduit à présent par 10 laboratoires internationaux (France, Belgique, Royaume-Uni et USA). L’objectif est de déployer auprès du réacteur de recherche BR2 (SCK-CEN, Mol), une masse fiducielle d’environ 2,9 t pour des distances d’oscillations comprises entre 5,5 et 12 m. Pour ce faire, le dispositif doit permettre un très fort pouvoir de rejection du bruit de fond. La technologie proposée s’appuie sur deux points forts : la segmentation et la capacité de « tagger » le signal neutron. Le détecteur consiste en un réseau 3D d’environ 23000 cubes de PVT (5cm3) lus par un réseau de fibres optiques couplées à des MPPCs. Chaque élément de détection contient une couche de Li6 :Zns permettant de discriminer très proprement le signal neutron du bruit de fond (figure 1). Cette technologie combinée à l’environnement bruit de fond particulièrement bas à BR2 permettent à l’expérience d’obtenir une sensibilité sans précédent avec un rapport signal sur bruit proche de 6.




Premier Module de détection SM1 installé à BR2 (Belgique)


 


LPCTrap : Mesure de la corrélation angulaire bêta-neutrino dans les transitions permises.


Les processus de désintégration bêta nucléaires sont décrits phénoménologiquement, dans le cadre du modèle standard, en termes d’interactions de type vecteur et axial (théorie V-A) couplant les courants hadroniques et leptoniques. Les contributions dues aux autres invariants de Lorentz, par exemple de type scalaire et tenseur, qui peuvent être formellement introduits dans l’Hamiltonien décrivant ces processus, sont exclus de la théorie. La mesure du coefficient de corrélation angulaire bêta-neutrino (paramètre a) dans une désintégration bêta nucléaire permet de sonder la présence de tels couplages exotiques. Dans le cas de la transition Gamow- Teller pure du noyau 6He, le coefficient a est sensible à la présence de courants axial et tenseur. Toute déviation par rapport à la valeur prédite par le SM (a=-1/3) serait la signature de physique au-delà de ce modèle. Les limites actuelles sur les couplages exotiques imposent de mesurer ce paramètre avec une précision inférieure ou égale à 0,5% pour atteindre une meilleure sensibilité à une contribution tensorielle. Le dispositif construit et utilisé par notre groupe est unique parmi les dispositifs existants dans le monde pour ce type de mesures. Le paramètre de corrélation angulaire est déduit de la mesure du temps de vol entre les ions 6Li++ et les particules bêta détectées en coïncidence. La faible énergie des ions requiert l’utilisation d’un système de confinement d’ions dépourvu de matière. Le système central du dispositif est un piège de Paul transparent ayant une géométrie ouverte pour l’injection et l’extraction des ions et pour la détection des particules issues des désintégrations. Une ligne de transport et de manipulation des ions (refroidissement et mise en paquets) été construite par le LPC. Le dispositif est installé depuis 2004 sur la ligne de basse énergie LIRAT de l’installation SPIRAL au GANIL et a été décrit dans des rapports et publications antérieurs.


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Le piège de Paul entouré de ses détecteurs


 


LPC-MOT


En collaboration avec le CIMAP, le LPC développe depuis 2005 un dispositif de piégeage magnétooptique. Ce type de piège réunit plusieurs avantages : une très basse température du nuage d’atomes confinés (T< 1 mK), une faible taille associée à une grande densité (107 atomes dans un volume inférieur à 1 mm3), ainsi que la possibilité de polariser les atomes confinés par pompage optique. Ces caractéristiques en font un outil très prometteur pour effectuer des mesures de précision dans la désintégration d’atomes radioactifs produits par réactions nucléaires (SPIRAL2) afin d’aborder des sujets de recherche fondamentaux tels que la non conservation de la parité, la violation de symétrie par renversement du temps, ou les mesures de corrélation dans la décroissance bêta. D’autre part, le piégeage d’atomes stables fournit une cible atomique froide et dense particulièrement adaptée à l’étude des collisions ion-atome à basse énergie par spectroscopie d’impulsion d’ions de recul. Dans ce type de collisions où le processus d’échange de charge est largement dominant, l’angle de diffusion du projectile et le Q de réaction sont accessibles via la mesure des trois composantes du vecteur impulsion de la cible ionisée. L’énergie de recul communiquée aux atomes cibles est cependant très faible (de l’ordre du meV) ce qui nécessite l’utilisation d’une cible très froide.



 
Nuage d’atomes de rubidium piégés à 100 μK (gauche) Chambre du piège Magnéto-optique (droite)


 

Collisions ion-molécule


Le groupe est également fortement impliqué dans les études menées au GANIL par le CIMAP sur la relaxation de dimères de gaz rares ionisés par des ions multichargés. Si les interactions entre un ion et un atome (ou une molécule) isolé sont aujourd’hui assez bien comprises, il reste difficile d’évaluer l’influence d’un environnement chimique sur la collision et les voies de relaxation du système. L’utilisation d’un dimère de gaz rare, système le plus simple pour étudier les effets liés à la proximité d’un autre atome, constitue une approche particulièrement prometteuse. Les différentes campagnes d’expériences menées depuis 2010 en collaboration avec le CIMAP et une équipe de TMU ont permis des avancées significatives dans ce domaine. Tout d’abord, la forte asymétrie des voies de fragmentation observées a permis de mettre en évidence une faible mobilité électronique au sein des dimères ionisés. La mesure en coïncidence de l’angle de diffusion du projectile avec celle de l’orientation de la molécule au moment de la collision a par la suite permis d’établir une cartographie des processus d’échange de charge en corrélant le nombre d’électrons capturés sur chaque site du dimère au paramètre d’impact dans le repère de la molécule. Enfin, un nouveau processus de relaxation, la « décroissance coulombienne interatomique » (DCI), a été identifié dans des collisions entre des ions multichargés et des dimères de néon. Ce processus, source d’émission d’électrons de très basse énergie particulièrement nocifs à l’échelle moléculaire sur les bases, les sucres ou les phosphates de l’ADN, pourrait jouer un rôle significatif en radiobiologie.



Carte des paramètres d’impact pour la double capture à 1 centre dans des collisions sur dimère d’Ar2


 


REGLIS3


Le projet REGLIS3 (« Rare Elements in-Gas Laser Ion Source and Spectroscopy @ S3 ») est le fruit d’une collaboration entre l’IPNO, le LPC CAEN, le GANIL et l’IKS Leuven. Ce projet, financé depuis fin 2014 par une ANR, propose le développement d’une source d’ions radioactifs de nouvelle génération produisant des faisceaux d’une grande pureté et constituant, en soi, un dispositif expérimental de spectroscopie laser. Ce dispositif sera installé sur le spectromètre S3 actuellement en construction dans le cadre de SPIRAL2. REGLIS3 sera donc à la fois une source d’ions de basse énergie (avec sélection en Z et A) pour les nouveaux éléments produits par S3 ainsi qu’un outil de spectroscopie pour des mesures de structure hyperfine pour de nouveaux noyaux exotiques (donnant accès aux rayons de charge nucléaire, aux moments électromagnétiques et aux spins nucléaires). Le dispositif est constitué d’une cellule gazeuse dans laquelle les ions d’S3 seront stoppés et neutralisés, couplée à un système laser assurant une ré-ionisation sélective des atomes d’intérêt. Cette ionisation sélective pourra être effectuée au sein de la cellule, ou bien dans le flux de gaz sortant de la cellule sous forme d’un jet supersonique pour les mesures à haute résolution. Les photo-ions produits seront ensuite capturés et guidés vers une zone de basse pression à l’aide de deux quadripoles à radiofréquence (RFQ) avant d’être sélectionnés en masse par un filtre de masse quadripolaire (QMF). Ces équipements constitueront le premier élément de la LEB (« Low Energy Branch ») de S3 qui comprendra en aval un RFQ regroupeur assurant la mise en paquet des ions, une électrode pulsée pour accélérer ces paquets à quelques kV, un MR-ToF-MS (« Multi Reflection Time of Flight Mass Separator ») pour une purification supplémentaire (R 3.105) et la mesure de masses (deltaM/M = 5.10-7), et une station d’identification. Avec cet ensemble, combiné aux hautes performances attendues pour le spectromètre S3, une large gamme d’isotopes inconnus deviendra accessible. Les premières expériences seront focalisées sur l’étude spectroscopique des propriétés dans l’état fondamental des régions N=Z jusqu’au noyau doublement magique 100Sn ainsi que des noyaux très lourds et super lourds. Lorsque l’opération de la source pourra être assurée de façon routinière, les faisceaux produits pourront être exploitées pour des mesures de masse ou de décroissance sur la LEB ou dans la future installation de basse énergie DESIR.



Vue schématique du dispositif REGLIS3


 

Refroidisseur RF à haute intensité pour SPIRAL II-DESIR


L’installation de basse énergie DESIR (Désintégration, excitation et stockage des ions radioactifs = Decay, excitation and storage of radioactive ions) utilisera des noyaux exotiques produits par SPIRAL2. Afin de purifier les faisceaux issus des ensembles cible/source, un Séparateur à Haute Résolution (HRS) est actuellement développé au CENBG. Le HRS fonctionnera avec ses performances optimales pourvu que les faisceaux traités aient une émittance d’environ 1 π mm mrad. Les sources de production produiront des faisceaux avec des émittances de quelques dizaines de π mm mrad. Depuis 2007, le LPC développe, en collaboration avec le CSNSM, un nouveau refroidisseur Quadrupôlaire Radio Fréquence à gaz tampon (RFQ Cooler). Le projet est cofinancé par la région Basse-Normandie. L’objectif est d’obtenir des émittances de quelques π mm mrad et ce pour des faisceaux ayant des intensités de 1]A. A ces intensités, les phénomènes de charges d’espace sont importants et constituent le véritable défi de ce refroidisseur. La plupart des dispositifs de ce type utilisés dans le monde fonctionne avec des intensités au moins 50 fois inférieure.




Structure du refroidisseur de faisceau haute intensité