Analysis of CONUS+ run 2: Detector performance, background model and CE$\nu$NS measurement

Les neutrinos sont les particules les plus abondantes de l'univers, pourtant elles sont aussi les plus insaisissables. Ils traversent les planètes, les étoiles et les corps humains sans laisser de trace, interagissant avec la matière si rarement que leur détection nécessite généralement d'immenses réservoirs de liquide ou de gigantesques détecteurs enfouis profondément sous terre. Pendant des décennies, les physiciens se sont appuyés sur ces instruments géants pour tenter d'entrevoir ces particules fantomatiques. Cependant, un type spécifique d'interaction appelé diffusion cohérente élastique neutrino-noyau offre une voie différente. Dans cet événement rare, un neutrino percute l'ensemble d'un noyau atomique à la fois plutôt qu'une seule particule à l'intérieur de celui-ci, provoquant le recul de l'ensemble du noyau. Parce que le neutrino pousse tout le noyau, la force est bien plus grande que d'habitude, mais le mouvement qui en résulte est incroyablement infime. Pour observer cela, les scientifiques doivent construire des détecteurs assez sensibles pour ressentir une vibration plus petite que la largeur d'un seul atome, tout en gardant l'instrument parfaitement calme afin que le bruit de fond n'étouffe pas le signal.

Une équipe de chercheurs de l'expérience CONUS+, située à l'intérieur d'une centrale nucléaire en Suisse, a réussi à capturer ce signal ténu en utilisant une nouvelle génération de détecteurs. En améliorant leur équipement avec des cristaux plus grands et plus sensibles, ils ont pu observer le recul d'atomes de germanium causé par des antineutrinos émanant du cœur du réacteur. L'équipe a analysé les données collectées sur une période totalisant 1 296 jours d'exposition avec le réacteur en fonctionnement. Leur analyse a révélé un excès clair d'événements correspondant au comportement prédit des neutrinos, confirmant la présence de 1 555 événements de signal avec une certitude statistique qui ne laisse presque aucune place au hasard. Ce résultat s'aligne étroitement avec les prédictions standards de la physique, démontnant que ces petits détecteurs peuvent désormais mesurer les propriétés des neutrinos avec une précision qui rivalise avec celle d'expériences beaucoup plus vastes.

L'expérience est située à seulement 20 mètres du cœur de la centrale nucléaire de Leibstadt, ce qui la place dans un environnement inondé d'antineutrinos. Pour capter le faible signal du recul d'un noyau, les chercheurs ont dû abaisser le seuil d'énergie de leurs détecteurs à un niveau où même les plus petites vibrations pourraient être enregistrées. Lors de leur première phase d'opération, ils utilisaient des détecteurs pesant un kilogramme chacun. Pour cette deuxième phase, ils ont remplacé trois d'entre eux par de nouvelles diodes pesant chacune 2,42 kilogrammes. Ces cristaux plus grands offraient un avantage significatif : comme ils possèdent plus de masse par rapport à leur surface, ils sont moins affectés par le bruit de fond provenant de la surface du matériau. Ce changement de conception a permis aux nouveaux détecteurs d'atteindre un niveau de bruit de fond par unité de masse environ deux fois inférieur à celui des détecteurs originaux, tout en conservant la capacité de détecter des dépôts d'énergie aussi petits que 140 à 170 électron-volts.

L'équipe a été confrontée au défi de distinguer le véritable signal de neutrino d'une variété de sources de bruit de fond, telles que les rayons cosmiques frappant l'atmosphère terrestre ou la radioactivité naturelle des roches et des équipements environnants. Pour résoudre cela, ils ont construit un blindage multicouche autour de leurs détecteurs à l'aide de plomb, de polyéthylène et de polyéthylène boré pour bloquer le rayonnement externe. Ils ont également entouré l'installation de plaques de scintillateur plastique qui agissent comme une sentinelle, identifiant et rejetant instantanément tout événement causé par des muons cosmiques traversant l'installation. Les détecteurs eux-mêmes ont été maintenus dans un environnement sans radon et refroidis à des températures extrêmement basses pour minimiser le bruit électronique. Tout au long de la période de collecte des données, qui a débuté au début de l'année 2025, les chercheurs ont surveillé la stabilité de leur équipement, s'assurant que les fluctuations de température ou les problèmes d'alimentation ne distordaient pas les résultats. Ils ont même interrompu la collecte de données après une panne de courant pour recalibrer le système, garantissant que seules les données les plus fiables soient utilisées pour l'analyse finale.

Une fois les données collectées, les chercheurs ont appliqué une série de filtres rigoureux pour éliminer tout événement ne ressemblant pas à une véritable interaction de neutrino. Ils ont examiné la forme des signaux électriques produits par chaque événement, vérifiant la présence de caractéristiques indiquant un impact unique et propre sur un noyau plutôt qu'une interaction désordonnée impliquant plusieurs particules ou un bruit de surface. Ils ont également comparé les données collectées pendant que le réacteur fonctionnait avec les données collectées pendant que le réacteur était à l'arrêt. Puisque le réacteur est la source des antineutrinos, tout signal qui n'apparaît que lorsque le réacteur est actif et disparaît lorsqu'il est éteint doit être lié aux neutrinos. Cette comparaison a permis d'isoler le signal du bruit de fond avec une grande confiance.

L'analyse finale a produit un résultat définitif. L'équipe a dénombré 1 555 événements qu'elle a identifiés comme étant de la diffusion cohérente élastique neutrino-noyau, avec une incertitude de 152 événements. Ce nombre correspond à une signification statistique de 10,2 sigma, une mesure de certitude indiquant que la probabilité que ce résultat soit un coup de chance aléatoire est virtuellement nulle. Le nombre d'événements observés était très proche des 1 701 événements prédits par le Modèle Standard de la physique des particules, le ratio entre les valeurs observées et prédites étant de 0,91. Cet accord suggère que la compréhension actuelle de la manière dont les neutrinos interagissent avec la matière est correcte. Les chercheurs ont également noté que leur mesure était davantage limitée par les statistiques des données que par les erreurs systématiques, ce qui signifie que la collecte de plus de données à l'avenir améliorerait directement la précision de la mesure.

Ce succès marque une transition pour l'expérience CONUS+ d'une étude de preuve de concept vers un outil de mesure de précision. L'amélioration apportée par les détecteurs plus grands a non seulement amélioré le rapport signal sur bruit, mais a également fourni un ensemble de données plus robuste pour tester les propriétés fondamentales des neutrinos. L'équipe prévoit de continuer à collecter des données, visant à accumuler encore plus d'exposition pour réduire davantage les incertitudes statistiques. En affinant leurs modèles de bruit de fond et en appliquant potentiellement des techniques supplémentaires pour filtrer le bruit, ils espèrent pousser la précision de ces mesures encore plus loin. Ce travail ouvre la voie à de futures études qui pourraient sonder une nouvelle physique au-delà du Modèle Standard actuel, en utilisant des détecteurs compacts de l'ordre du kilogramme pour explorer des questions qui nécessitaient auparavant des installations massives de plusieurs tonnes. La capacité de mesurer ces interactions avec une telle clarté dans une installation relativement petite représente une étape significative dans le domaine de la physique des neutrinos.