La détection des antineutrinos est renforcée grâce à un nouveau scintillateur en plastique

Comment trouver et mesurer des particules nucléaires, comme les antineutrinos, qui se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière ?

Les antineutrinos sont le partenaire antimatière d’un neutrino, l’une des particules subatomiques les plus insaisissables et les moins comprises de la nature. Ils sont couramment observés à proximité des réacteurs nucléaires, qui émettent de grandes quantités d’antineutrinos, mais on les trouve également en abondance dans tout l’univers en raison de la radioactivité naturelle de la Terre, la plupart d’entre eux provenant de la désintégration du potassium 40, du thorium 232 et de l’uranium. -238 isotopes.

Lorsqu’un antineutrino entre en collision avec un proton, un positron et un neutron sont produits, un processus connu sous le nom de désintégration bêta inverse (IBD). Cet événement provoque l’allumage de matériaux scintillants, permettant de détecter ces antineutrinos ; et s’ils peuvent être détectés, ils peuvent être utilisés pour étudier les propriétés du cœur d’un réacteur ou de l’intérieur de la Terre.

Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), en partenariat avec Eljen Technology, travaillent sur une solution de détection possible : un scintillateur en plastique dopé au lithium-6 pour détecter les antineutrinos des réacteurs, ce qui représente plus d’une décennie de recherche en science des matériaux. Leurs recherches paraissent dans le journal de Instruments et méthodes nucléaires dans la recherche en physique Section A : Accélérateurs, spectromètres, détecteurs et équipements associés.

Magie en plastique

Au début des années 2010, Natalia Zaitseva, spécialiste des matériaux au LLNL, et son équipe ont été les premiers à développer un scintillateur plastique capable de distinguer la forme des impulsions (PSD), c’est-à-dire de distinguer efficacement les neutrons des rayons gamma (importants pour détecter les événements d’IBD). S’appuyant sur ces travaux, la nouvelle formulation de scintillateur plastique dopé au lithium-6 est également compatible PSD.

“Le lithium-6 est particulièrement avantageux, car en plus d’avoir une section efficace de capture de neutrons thermiques significative, il offre un emplacement de capture localisé, améliorant encore la capacité du détecteur à rejeter efficacement les bruits de fond indésirables”, a déclaré Viacheslav “Slava”, scientifique du LLNL. Li. Cette détection améliorée est rendue possible grâce au processus IBD.

“Bien que l’intégration du lithium-6 dans des scintillateurs liquides s’est avérée être une entreprise à la fois difficile et enrichissante – démontrée avec succès par PROSPECT, une autre expérience de réacteur-antineutrino avec des contributions fondamentales au LLNL – y parvenir dans un scintillateur plastique solide, compact et facilement transportable n’a pas été réalisé. avant, surtout pas à une échelle adaptée à une détection efficace des antineutrinos”, a déclaré Cristian Roca, scientifique du LLNL et auteur correspondant de l’article.

Comparés aux scintillateurs liquides, qui constituent la technologie standard pour la détection réacteur-antineutrino depuis des décennies, les scintillateurs en plastique offrent une sécurité et une mobilité supérieures avec moins de contraintes réglementaires et pratiques qui sont généralement imposées aux scintillateurs liquides et à leur environnement d’exploitation.

Optimisation des performances du détecteur

Pour préparer le scintillateur (commercialement connu sous le nom d’EJ-299-50) pour le marché, les chercheurs du groupe de détection d’événements rares du LLNL ont mené une série de mesures de caractérisation des performances du matériau dans un système de détection à grande échelle.

Pendant près de six mois, les chercheurs ont étudié le processus de vieillissement de ces scintillateurs pour assurer la stabilité à long terme du plastique. Après avoir démontré les performances optiques fiables et les capacités d’identification des neutrons de l’EJ-299-50 pendant cette période, les chercheurs ont installé 36 des « barres » de scintillateur en plastique dans une configuration de grille 6 × 6 sur un système de détection appelé Reactor Operations Antineutrino Detection Surface Testbed Rover. (ROADSTR). Une étude de suivi est actuellement en cours pour évaluer les performances de ROADSTR avec ces barres.

Parallèlement à leurs travaux sur les scintillateurs, les scientifiques du groupe Rare Event Detection collaborent avec des chercheurs de l’Université d’Hawaï pour améliorer la sensibilité directionnelle des détecteurs ; c’est-à-dire la capacité de déterminer la direction de l’antineutrino entrant par rapport au détecteur. Ces informations peuvent être extraites en corrélant les événements survenus lors de la réaction IBD et sont particulièrement utiles pour limiter la production illicite de matériel militaire.

Les recherches de l’équipe, publiées dans Examen physique appliqué et soutenu par le Consortium pour la surveillance, la technologie et la vérification, explore différentes conceptions de détecteurs, constatant que certaines géométries de détecteurs surpassent d’autres en termes de résolution directionnelle.

Avec des applications dans les domaines de la garantie et de la surveillance des réacteurs, ainsi que de la sécurité intérieure et de la non-prolifération nucléaire, ces efforts de recherche combinés ouvrent la porte à une nouvelle ère de détection des antineutrinos.