UNE CUVE D'EAU GÉANTE CAPTE DES CENTRALES À 146 KM
Les réacteurs nucléaires sont des usines à antineutrinos électroniques. Dans le combustible, les fragments de fission subissent une désintégration bêta : un neutron d’un noyau se transforme en proton, électron et antineutrino. Les réacteurs ont d’ailleurs été la première source de neutrinos jamais détectée, lors de l’expérience de Cowan et Reines en 1956. Depuis, ils ont aidé à mesurer comment les neutrinos oscillent — changent de type en voyageant.
La collaboration Super-Kamiokande, quelque 250 physiciens du Japon, des États-Unis, d’Europe, de Corée, de Chine, du Canada et d’ailleurs, annonce que son détecteur les voit à son tour.
Une cuve conçue pour d’autres proies
Super-Kamiokande est un détecteur de 50 000 tonnes d’eau, à 1 000 mètres sous terre dans la mine de Kamioka, au Japon. Son volume intérieur contient 32 000 tonnes d’eau surveillées par 11 129 capteurs de lumière de 20 pouces de diamètre. Une particule chargée rapide qui traverse l’eau émet un faible cône de lumière, la lumière Tcherenkov, qui permet de reconstruire sa position, sa direction et son énergie.
Mais les antineutrinos de réacteurs ne portent que quelques millions d’électronvolts. À ces basses énergies, un éclair isolé se perd facilement parmi la radioactivité naturelle et les débris des rayons cosmiques.
Une pincée de gadolinium
L’astuce est une signature en deux temps. Quand un antineutrino frappe un proton de l’eau, il produit un positron, qui donne un éclair immédiat, et un neutron, qui erre, ralentit et finit capturé par un noyau. Capturé par l’hydrogène, le neutron libère un seul rayon gamma de 2,2 MeV, difficile à voir. Capturé par le gadolinium, il libère une cascade de rayons gamma totalisant environ 8 MeV, facile à voir.
En juillet 2020, 13 tonnes de sulfate de gadolinium ont donc été dissoutes dans l’eau (0,011 % en masse) ; en juin 2022, 27 tonnes de plus (0,033 %). Environ la moitié des neutrons, puis environ les trois quarts, sont désormais capturés par le gadolinium, en quelque 120 puis 60 microsecondes. Un déclencheur logiciel rapide repère les électrons jusqu’à environ 2,5 MeV avec une efficacité proche de 100 %.
À l’écoute de la baie de Wakasa
Plusieurs centrales se trouvent à environ 200 km du détecteur, surtout au Japon, avec une petite contribution coréenne. Les plus proches en activité sont dans la baie de Wakasa : Mihama 3 (146 km), Ohi 3 et 4 (179 km) et Takahama 1 à 4 (191 km). Entre 2020 et 2023, beaucoup fonctionnaient ou redémarraient. Le flux attendu a été calculé mois par mois à partir de la charge déclarée de chaque réacteur, grâce à la base de données des réacteurs de l’Agence internationale de l’énergie atomique.
Le bruit de fond vient des géoneutrinos — antineutrinos de la radioactivité propre de la Terre —, des coïncidences fortuites et des débris radioactifs laissés par les muons cosmiques. Pour le mesurer, l’équipe a profité d’une fenêtre heureuse : en novembre et décembre 2020, les principaux réacteurs de la baie de Wakasa étaient arrêtés ou en cours d’arrêt. Les données de ces deux mois sont presque du bruit de fond pur.
L’analyse couvre 411,52 jours de prise de données, de février 2021 à septembre 2023. Un classifieur par apprentissage automatique et des coupures sur le délai (moins de 80 microsecondes) et la distance (moins de 2 mètres) entre les deux éclairs sélectionnent les paires candidates.
Un signal qui suit les réacteurs
Le nombre d’événements mois par mois suit l’activité des réacteurs et correspond à la prédiction qui inclut les oscillations. Un monde sans antineutrinos de réacteurs est rejeté avec une significativité d’environ 6 sigma : c’est la première observation d’antineutrinos de réacteurs dans Super-Kamiokande. L’article ne donne pas le nombre total d’événements retenus.
À partir du spectre d’énergie, l’équipe tire deux paramètres d’oscillation : sin²θ₁₂ = 0,500 ± 0,155 et Δm²₂₁ = (9,08 +0,55/−0,54) × 10⁻⁵ eV².
Neutrinos et antineutrinos, côte à côte
Super-Kamiokande mesure aussi les neutrinos du Soleil, qui sont de la matière et non de l’antimatière. Les comparer teste une symétrie fondamentale de la physique, appelée CPT. Les valeurs diffèrent d’environ 1,1 sigma pour l’angle et 2,2 sigma pour l’écart de masse ; globalement, les deux jeux de données sont compatibles à 1,9 sigma — aucun signe statistiquement significatif d’une différence. Combinés, ils donnent sin²θ₁₂ = 0,332 (+0,028/−0,026) et Δm²₂₁ = (8,94 +0,46/−0,47) × 10⁻⁵ eV².
Le preprint, soumis à Physical Review Letters, contient une incohérence : le test de compatibilité vaut Δχ² = 7,25 dans le texte principal et 7,64 en annexe, les deux étant donnés pour 1,9 sigma. Les auteurs concluent que l’eau chargée en gadolinium fait d’une cuve Tcherenkov géante un détecteur opérationnel d’antineutrinos de quelques millions d’électronvolts, prometteur pour de futures mesures dans cette gamme d’énergie.