RICOCHET, une expérience à l’affût de l’interaction neutrino/noyau
Lorsqu’un neutrino de faible énergie rencontre un noyau atomique, il « rebondit » à la surface de ce dernier, qui recule sur une distance infinitésimale. Cette interaction d’une rareté exceptionnelle, observée expérimentalement pour la première fois en 2017, est l’objet d’étude de RICOCHET, une collaboration internationale pilotée par CNRS Nucléaire & Particules et hébergée à l’lnstitut Laue Langevin, à Grenoble. Après une mise en service de plus d’un an ayant permis d’attester des performances optimales de son dispositif et d’augmenter le nombre de ses détecteurs, RICOCHET est depuis juillet 2025 lancé dans une phase de science pleine de promesses : la caractérisation des infimes interactions entre les neutrinos générés par un réacteur nucléaire et les noyaux de ses détecteurs en germanium pourrait, une fois confrontée aux prédictions du modèle standard de la physique des particules, révéler des phénomènes physiques encore inconnus.
C’est au cœur de la zone expérimentale du bâtiment reacteur de l’Institut Laue Langevin (ILL), enveloppé du paysage sonore et des vibrations du réacteur nucléaire et des expériences voisines, que le dispositif expérimental de RICOCHET, un assemblage complexe et néanmoins minutieux de pièces fragiles et sensibles aux moindres perturbations, a progressivement vu le jour au cours des derniers mois. Protégée de ces nuisances et des rayonnements dans son bouclier de plomb, de cuivre et de polyéthylène, l’expérience a pris ses premières données au cours d’une mise en service débutée en février 2024 et dont les conclusions ont été présentées dans un article scientifique publié dans la revue PRD. Les équipes de Ricochet y présentent un dispositif capable de discerner avec une précision inégalée les collisions impliquant les neutrinos d’un bruit de fond pourtant intense. « Après avoir mis la manip sur pied pendant six ans avec une collaboration de plus de 60 scientifiques dans plusieurs pays, nous nous réjouissons d’avoir pu passer à la phase scientifique en juillet. Nous sommes partis à la chasse aux interactions entre neutrinos et noyaux atomiques », commente Julien Billard, chercheur à l’IP2I et coordinateur de RICOCHET.
Mais de quelle interaction parle-t-on exactement ? Il s’agit d’étudier la « diffusion cohérente élastique neutrino-noyau" (CeνNS), un phénomène très spécial par lequel un neutrino « rebondit » sur un noyau atomique. Pour des énergies de neutrino suffisamment basses, le neutrino n’interagit en effet pas avec les nucléons individuels mais avec le noyau pris dans son ensemble. L’interaction, médiée par un boson Z, provoque un infime recul du noyau qui se traduit par un échauffement du cristal. Bien que théorisée dès 1974, les scientifiques ont longtemps cru que l’énergie libérée par cette interaction serait trop faible pour être observée un jour. C’est pourquoi la première détection du CEνNS en 2017 par l’expérience COHERENT, qui utilisait des neutrinos de plus hautes énergies provenant d’une source de spallation, a représenté une petite révolution.
Et pour cause : étudier le CEνNS dans les moindres détails est un moyen efficace de tester le Modèle Standard de la physique des particules, le paradigme théorique expliquant l’ensemble des interactions dans le monde quantique. Les paramètres du CEνNS, tels que l’échange du boson Z, ont en effet l’avantage d’être relativement simples et prédits avec une grande précision par le Modèle Standard. La moindre déviation mesurée expérimentalement vis-à-vis des prédictions théoriques pourrait ainsi être révélatrice de phénomènes jusqu’alors cachés, telles que de nouvelles particules, autant de potentielles lanternes qui pourraient éclairer les zones d’ombre de la physique actuelle.
Pour mesurer l’échauffement de l’ordre du millionième de kelvin provoqué par le CEνNS, les équipes de RICOCHET ont mis au point un protocole expérimental astucieux, reposant sur de très légers détecteurs constitués de cristaux de germanium plongés à des températures cryogéniques. A ces températures de quelques millikelvins, le moindre choc – tel que le rebond d’un neutrino – est détectable par l’arsenal d’électrodes et de capteurs qui équipent le cristal de germanium. En tout, 18 détecteurs de 40 grammes chacun sont ainsi assemblés dans un « CryoCube » réfrigéré à 10 mK, ce qui frôle le zéro absolu, la température à laquelle les noyaux atomiques sont entièrement figés. Pour atteindre des températures aussi basses, la collaboration a fait le choix d’un système cryogénique dans lequel de l’hélium 3 est dilué dans de l’hélium 4 à l’intérieur d’une colonne surplombant le CryoCube. Des colonnettes de cuivre transmettent le froid du système cryogénique jusqu’aux détecteurs à travers un épais blindage interne. De fins ajustements ont été nécessaires afin que le câblage vers l’électronique de détection et la charge thermique issue de l’empilement des détecteurs ne perturbent pas ce fragile équilibre thermique.
Les cristaux de germanium ainsi refroidis sont prêts pour accueillir les neutrinos. Mais sans une source de neutrinos dédiée, ils pourraient attendre longtemps : bien que plusieurs dizaines de milliards de neutrinos provenant du cosmos traversent chaque centimètre carré de notre Terre chaque seconde, l’écrasante majorité d’entre eux n’interagissent pas avec la matière, et passent simplement à travers les détecteurs de germanium. Pour augmenter les probabilités d’interactions le dispositif expérimental a été disposé à seulement quelques mètres du réacteur nucléaire de recherche de l’ILL. Le déferlement de neutrinos générés par ce réacteur de recherche de 58 MW permet d’atteindre le chiffre de 8 événements CEνNS attendus par jour.
Une fois les questions du principe de détection et de la source de neutrinos réglées, un problème de taille subsistait : celui du bruit de fond, constitué des nombreuses interactions de particules parasites dans le détecteur, pouvant être confondues avec des événements CEνNS. La collaboration RICOCHET a multiplié les approches pour lutter contre ce fléau. Tout d’abord, le dispositif expérimental a été enveloppé d’un lourd blindage externe de 19 tonnes de plomb et de polyéthylène auquel s’ajoute un blindage interne du même type de 150 kg, permettant de filtrer l’essentiel des particules. Le blindage externe est également équipé d’un véto à muons, un détecteur capable d’identifier ces particules traversant tous les blindages, pour repérer et éliminer les événements parasites qu’elles provoquent dans le détecteur.
Mais l’arme anti-bruit de fond la plus efficace de RICOCHET, qui fait toute la différence avec les expériences concurrentes, est la capacité double de mesurer la chaleur et l’ionisation (la production d’électrons et de trous) générées par les interactions dans le détecteur. Une manière de rejeter des bases de données de l’expérience les interactions dont le ratio chaleur/ionisation ne correspond pas précisément à celui attendu avec des collisions impliquant des neutrinos, ce que la seule mesure de la chaleur ou de l’ionisation ne permet pas. L’élimination du bruit de fond a bénéficié de l’introduction d’électrodes FID (Fully Inter-Digitized) dans 11 des 18 détecteurs de RICOCHET. Ces électrodes inter-digitées de nouvelle génération permettent de mesurer l’ionisation tout en rejetant les événements proches de la surface des détecteurs, généralement associés à des particules parasites, là où des électrodes planaires classiques échouent à opérer cette distinction.
A noter enfin, la lutte contre le bruit de fond bénéficie également du fait que le réacteur de recherche opère des cycles ON et OFF de durées assez proche permettant à l’équipe d’effectuer des soustractions de bruit de fond afin d’améliorer l’identification du signal neutrino.
On le comprend, le dispositif est d’une extrême sophistication et sa mise en œuvre et son réglage ont demandé près d’un an et demi à l’équipe pour le rendre pleinement opérationnel. Il a fallu tester successivement la cryogénie, les trois premiers détecteurs, sans blindage, puis avec blindage, puis rajouter progressivement de nouveaux détecteurs dans le CryoCube jusqu’à atteindre le nombre de 18. Les enseignements de cette période critique pour la collaboration RICOCHET, rassemblés dans la publication scientifique parue dans PRD, réjouissent Julien Billard, qui avait en 2018 obtenu la bourse ERC Starting qui a financé le CryoCube : « A la fin de la mise en service, tous les indicateurs étaient au vert, les données collectées très propres. Cela nous donne l’assurance nécessaire pour aborder la première phase scientifique que nous avons ouverte en juillet. Nous sommes enthousiastes quant aux données en cours d’acquisition qui devraient nous donner des premiers résultats de science en 2026 ».
Cette première phase scientifique, financée par une ANR obtenue en 2020, durera deux ans, jusqu’à l’été 2027, permettant d’opérer une première caractérisation des paramètres du CEνNS. L’expérience et ses résultats scientifiques pourraient être ensuite améliorés au cours d’une deuxième phase, proposée par la collaboration, qui verrait l’ajout de détecteurs supplémentaires dans d’autres éléments que le germanium, pour des performances augmentées et des incertitudes de mesure réduites.