Performances et potentiel de d´ecouverte

Une simulation GEANT-4 du d´etecteur St´er´eo a ´et´e r´ealis´ee pour ´evaluer ses performances et aider `a finaliser le design du d´etecteur [122]. Avec la g´eom´etrie d´ecrite pr´ec´edemment, nous pouvons donc ici r´esumer les principales caract´eristiques du d´etecteur.

Chapitre 6. Pr´esentation de l’exp´erience St´er´eo 81 Tout d’abord, la quantit´e de photo-´electrons collect´ee par MeV d’´energie d´epos´ee est estim´ee `

a environ 290 pe/MeV dans la cible alors qu’elle est de 490 pe/MeV dans le gamma-catcher. Cet ´ecart s’explique par la composition diff´erente des liquides scintillants. Celui du gamma-catcher n’est pas dop´e en gadolinium, ce qui lui donne une longueur d’att´enuation plus grande que dans la cible : 7, 0 m contre 5, 9 m `a 430 nm. L’incertitude sur l’´energie apport´ee par le nombre de photons d´etect´es n’est cependant pas l’effet limitant : `a 2 MeV, elle est estim´ee `a 4, 2 %.

Un autre point important est l’impact des fuites de lumi`ere d’une cellule `a une autre. `A cause des zones de collage sur les bordures des plaques d’acrylique non recouvertes de VM- 2000, environ 9 % de la lumi`ere provenant de la d´etection d’´electrons de 2 MeV dans une cellule se fait d´etecter dans les cellules voisines ou dans le gamma-catcher. Suivant la position de la cellule, au centre ou au bord de la cible, la r´epartition de la lumi`ere ne sera pas la mˆeme : 5 % de lumi`ere fuit dans le gamma-catcher pour une cellule en bord de cible contre seulement 1 % pour une cellule au centre. Il est donc important de corriger cet effet dans la reconstruction en ´energie des ´ev´enements pour obtenir une r´eponse homog`ene dans l’ensemble du d´etecteur.

Pour ´evaluer la r´esolution du d´etecteur, des positons de 2 MeV sont simul´es dans diff´erentes cellules (cf figure 6.13). Apr`es reconstruction de l’´energie et correction des effets de fuite de lumi`ere, l’´ecart-type des distributions est identique dans chaque cellule et d’environ 12 %. Cette valeur prend donc en compte la distorsion du spectre due `a l’´echappement d’un des deux gammas de 511 keV produits lors de l’annihilation du positon qui donne l’incertitude sur l’´echelle en ´energie dominante. Avec des ´electrons de 2 MeV, l’´ecart-type n’est en effet plus que de 6, 6 % dans les cellules de la cible. Cette derni`ere valeur prend en compte la statistique de 4, 2 % ainsi que les effets de distorsion haut-bas et de fuites de 5, 1 %.

Enfin, pour d´eterminer l’efficacit´e de d´etection due `a la coupure en ´energie sur l’´ev´enement retard´e, une simulation avec des neutrons de 20 keV a ´et´e r´ealis´ee (cf figure 6.14). Suivant la cellule dans laquelle les neutrons sont lanc´es, la r´eponse du d´etecteur ne sera pas exactement la mˆeme car l’absence de gadolinium dans le gamma-catcher implique que moins de neutrons soient d´etect´es lorsque ceux-ci sont simul´es dans une cellule en bord de cible. Ainsi, pour une cellule centrale, l’efficacit´e avec un seuil inf´erieur `a 5 MeV est de 61, 3 % alors qu’elle n’est que de 57, 2 % pour une cellule en bord de cible.

Ces diff´erents effets montrent l’importance de calibrer pr´ecis´ement chaque cellule du d´etecteur ainsi que le gamma-catcher. C’est pourquoi des campagnes de calibration auront lieu r´eguli`erement avec des sources radioactives pouvant ˆetre d´eplac´ees tout autour du d´etecteur mais aussi `a l’int´erieur.

Connaissant les diff´erentes caract´eristiques du r´eacteur et du d´etecteur, il est possible d’´evaluer le nombre d’antineutrinos d´etect´es par jour dans St´er´eo : environ 410 antineutrinos par jour sont attendus. Pour estimer la sensibilit´e de St´er´eo `a l’anomalie r´eacteur, les hypoth`eses suivantes ont ´et´e faites [114] :

• six cycles de r´eacteurs en fonctionnement, soit 300 jours ;

• un rapport signal sur bruit de 1, 5, d´ecroissant en 1/E et constant `a haute ´energie ; • une coupure sur l’´ev´enement prompt `a 2 MeV et sur l’´ev´enement retard´e `a 5 MeV ; • une incertitude de 2 % sur l’´echelle en ´energie ;

• une incertitude de 3, 7 % corr´el´ee et de 1, 7 % non corr´el´ee sur la normalisation du spectre prenant en compte l’incertitude sur le nombre de protons cibles, sur la puissance du r´eacteur, sur l’angle solide, sur l’efficacit´e de d´etection, sur les effets de bord et sur la pr´ediction du taux d’antineutrinos ´emis par l’uranium 235 ;

• les incertitudes non corr´el´ees sur le spectre en ´energie des antineutrinos venant de l’ura- nium 235.

Chapitre 6. Pr´esentation de l’exp´erience St´er´eo 82 h1 Entries 10000 Mean 2.673 RMS 0.3163 Underflow 0 Overflow 0 Integral 1e+04 Energie [MeV] 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Coups 0 100 200 300 400 500 600 700 800 h1 Entries 10000 Mean 2.673 RMS 0.3163 Underflow 0 Overflow 0 Integral 1e+04 Cellule au centre Cellule au bord

Figure 6.13: Spectres en ´energie simul´es par GEANT-4 de positons de 2 MeV dans deux cellules de la cible, au centre (en rouge) et en bord de cible (en bleu).

Entries 9972 Mean 5.053 RMS 2.161 Energie [MeV] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Coups 0 50 100 150 200 250 300 Entries 9972 Mean 5.053 RMS 2.161 Cellule au centre Cellule au bord

Figure 6.14: Spectres en ´energie simul´es par GEANT-4 de neutrons de 20 keV dans deux cellules de la cible, au centre (en rouge) et en bord de cible (en bleu).

Le contour `a 95 % de confiance est repr´esent´e en figure 6.15. Une grande part du contour `

a 95 % de l’anomalie r´eacteur, dont le meilleur ajustement de l’anomalie r´eacteur, est ainsi recouvert par St´er´eo au mˆeme degr´e de confiance.

Chapitre 6. Pr´esentation de l’exp´erience St´er´eo 83

)

new

θ

(2

2

sin

-1

10

1

)

2

(eV

2 new

m

∆

-1

10

1

10

RAA contour @ 95 % CL RAA contour @ 99 % CL Best Fit

Exp. contour @ 95 % - Shape Exp. contour @ 95 % - Norm+Shape RAA contour @ 95 % CL

RAA contour @ 99 % CL Best Fit

Exp. contour @ 95 % - Shape Exp. contour @ 95 % - Norm+Shape

Figure 6.15: Contours de sensibilit´e de l’exp´erience St´er´eo `a 95 % de confiance superpos´es aux contours de l’anomalie r´eacteur.

Chapitre 7

Caract´erisation des bruits de fond

Le d´etecteur St´er´eo attend environ 410 antineutrinos par jour qui devront ˆetre extraits du bruit de fond pr´esent `a l’ILL. Bien qu’il soit possible de connaˆıtre pr´ecis´ement le taux d’´ev´enements parasites par des mesures en ligne, l’incertitude statistique due `a un trop grand taux de comptage total peut venir d´egrader la sensibilit´e de l’exp´erience comme nous l’avons vu avec Nucifer. C’est pourquoi il est essentiel de connaˆıtre l’environnement du d´etecteur pour pouvoir pr´evoir les blindages n´ecessaires. Parmi les diff´erents types de bruits figurent les rayons gammas de haute ´energie qui peuvent venir soit directement du cœur, soit des captures de neu- trons sur les ´el´ements environnants. Les neutrons rapides arrivant du cœur doivent ´egalement ˆetre maˆıtris´es. Pour cela, des simulations ont ´et´e r´ealis´ees et plusieurs s´eries de mesures sur site ont permis de mieux comprendre l’origine des diff´erents bruits et de trouver les moyens de les limiter. L’objectif est d’atteindre moins de 100 Hz de bruit dans la fenˆetre d’´energie des ´ev´enements prompts, soit de 2 `a 8 Mev, et moins de 1 Hz dans celle des ´ev´enements retard´es, soit de 5 `a 9 MeV, cela afin d’obtenir un signal sur bruit proche de un.

7.1

Simulation des flux de neutrons et de rayons gammas

Le r´eacteur `a haut flux est travers´e par de nombreux guides amenant des neutrons produits dans le cœur jusqu’aux diff´erentes exp´eriences situ´ees tout autour de l’emplacement de St´er´eo. Un de ces guides, appel´e H7, traverse totalement le r´eacteur et d´ebouche directement dans la casemate o`u se situait auparavant une exp´erience de spectroscopie gamma nomm´ee GAMS5. L’autre extr´emit´e du guide d´ebouche de l’autre cˆot´e du r´eacteur aupr`es de l’exp´erience GAMS4, toujours en activit´e. Par simulation Monte-Carlo, nous avons propag´e des neutrons du cœur du r´eacteur jusqu’`a la casemate `a travers H7 pour connaˆıtre leur flux ainsi que leur ´energie. Un bouchon a ainsi pu ˆetre con¸cu pour stopper au mieux ce rayonnement. Les neutrons venant de la casemate voisine, IN20, ont aussi ´et´e ´etudi´es.

Dans le document Les expériences Nucifer et Stéréo : étude des antineutrinos de réacteurs à courte distance (Page 90-94)