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The Stereo Experiment in a Nutshell

The primary goal of the Stereo experiment is to test the possible existence of sterile neutrinos. Nuclear reactors are strong neutrino sources and can therefore be used to study the fundamental properties of these elementary particles. The existence of sterile neutrinos would manifest in an apparent disappearance of the original non-sterile neutrinos produced by the reactor. The disappearance is caused by a conversion between the two types of neutrinos. Since sterile neutrinos cannot be detected by experiments this conversion would manifest as the Stereo detector counting less neutrinos than expected.

Neutrinos at Nuclear Reactors

ILL Reaktor
Figure 1: The ILL nuclear reactor site where the STEREO experiment is located. © J.L. Baudet, ILL

There are three known types (flavours) of the elementary particle neutrino: electron neutrino, muon neutrino and tau neutrino. Each neutrino type is associated with an antineutrino. The radioactive decay of fission products in the nuclear reactor produces electron-antineutrinos which are emitted isotropically in all directions. Due to the rather high production rate at a well localised source, nuclear reactors are well suited for neutrino experiments. A commercial nuclear power plant can produce more than sextillion neutrinos per second. Despite this huge number, the neutrino detection is challenging, since they hardly interact with matter and detectors in the ton scale are required. Neutrino experiments at nuclear reactors had a major impact on our current understanding of these particles. The first neutrino detection at all in 1956 was achieved by the reactor experiment of Nobel Laureates Reines and Cowan. Moreover, reactor neutrino experiments proved that neutrinos can change their flavour and transform from one type to another as they propagate. Evidence for such neutrino oscillations was for example observed in the Double Chooz experiment.

Why Sterile Neutrinos — The Reactor Antineutrino Anomaly

RAA Figure 2: Electron antineutrino survival probability considering 3 active neutrino flavours (dashed line) and the addition of a sterile neutrino (solid line). Points correspond to the observed neutrino fluxes for different experiments with reference to the expected value at their distance to the reactor core. © T. Lasserre, CEA

Besides many theoretical considerations the so called reactor antineutrino anomaly (RAA), which is observed in many experiments, is an important motivation for Stereo to search for sterile neutrinos. The RAA is the observation that the neutrino flux measured in many experiments close to nuclear reactors is significantly (more than 6%) lower than one would expect by theory. The probability that this is just a statistical fluctuation is less than 1%. A possible explanation would be the conversion of the reactor neutrinos to sterile neutrinos which cannot be detected by experiments.

The Stereo Experiment

The Stereo dectector is positioned 10 m away from a research reactor at the Institut Laue-Langevin in Grenoble, France. The neutrino interaction occurs in 1800 liters of gadolinium (Gd) loaded liquid scintillator. Inside the scintillator, neutrinos are measured via the inverse beta decay on hydrogen nuclei (protons). To be able to detect the almost non-interacting reactor neutrinos, the detector needs to be highly sensitive. Therefore several layers of mainly lead and polyethylene with a total mass of about 65 tons are used to shield the detector from cosmic radiation as well as radioactivity from the surrounding experiments. An additional detector above the neutrino detector is used to identify cosmic muons, which are one of the dominant sources of unwanted signals possibly mimicking a neutrino event.

The Stereo collaboration aims for more than 300 days of reactor-on data before the end of 2020 to test the main part of the most likely sterile neutrino parameter ranges to either prove or disprove their existence and try to discover the origin behind the reactor antineutrino anomaly.

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Das Stereo Experiment zusammengefasst

Das primäre Ziel des Stereo Experiments ist es, die mögliche Existenz von sogenannten sterilen Neutrinos zu prüfen. Kernreaktoren sind starke Neutrinoquellen, die sich gut zur Erforschung der fundamentalen Eigenschaften dieser Elementarteilchen eignen. Ein Hinweis auf die Existenz steriler Neutrinos wäre ein scheinbares Verschwinden der im Reaktorkern erzeugten Neutrinos durch Umwandlung in sterile Neutrinos. Da sterile Neutrinos, wie ihr Name schon nahelegt, nicht messbar sind, würde sich dies im Stereo Detektor durch eine geringere Zahl gemessener Neutrinos zeigen.

Neutrinos aus Kernreaktoren

ILL Reaktor
Abbildung 1: Der ILL Reaktor, an dem das Stereo Experiment aufgebaut ist. © J.L. Baudet, ILL

Neutrinos sind Elementarteilchen, die in drei bekannten Sorten auftreten: Elektron-Neutrino, Myon-Neutrino und Tau-Neutrino. Zu jedem Neutrino gibt es ein Antineutrino. Der radioaktive Zerfall von Spaltprodukten im Kernreaktor liefert als Nebenprodukt Elektron-Antineutrinos, die in alle Richtungen davon fliegen. Aufgrund der hohen Erzeugungsrate an einem eng begrenzten Ort eignen sich Kernreaktoren gut als Quelle für Neutrinoexperimente. Ein kommerzieller Reaktorkern kann pro Sekunde bis zu einer Trilliarde Neutrinos produzieren. Da diese Elementarteilchen kaum mit Materie wechselwirken, ist ihr Nachweis trotz der großen Anzahl schwierig und erfordert Teilchendetektoren mit Massen im Tonnenbereich. Neutrinoexperimente an Kernreaktoren haben wesentlich zum heutigen Verständnis dieser Teilchen beigetragen. So konnte durch ein Experiment am Reaktor das Neutrino zum ersten Mal überhaupt experimentell nachgewiesen werden. Außerdem lieferten derartige Experimente den Beweis, dass sich Neutrinos von unterschiedlicher Sorte ineinander umwandeln können, während sie sich im Raum ausbreiten (siehe z.B. das Double Chooz Experiment).

Warum sterile Neutrinos – Die Reaktor-Antineutrino-Anomalie

RAA Abbildung 2: Gemessene Neutrinoraten in verschiedenen Experimenten. Die gestrichelte Linie zeigt die erwarteten Werte nach der gängigen 3-Neutrino Theorie. Die durchgezogene Linie zeigt die erwarteten Werte falls ein weiteres steriles Neutrino existiert. © T. Lasserre, CEA

Neben äußerst gut motivierten theoretischen Überlegungen ist insbesondere die in vielen Experimenten beobachtete sogenannte Reaktor-Antineutrino-Anomalie (RAA) eine wichtige Motivation für die Suche nach sterilen Neutrinos durch Stereo. Die RAA bezeichnet die in vielen Experimenten zu niedrige gemessene Neutrinorate. Diese liegt wesentlich (mehr als 6%) unter den theoretischen Erwartungen. Die Wahrscheinlichkeit einer rein statistischen Schwankung ist weniger als 1%. Eine mögliche Urache könnte die Umwandlung der im Reaktor produzierten Neutrinos in sterile Neutrinos sein, die in den Detektoren nicht nachweisbar sind.

Das Stereo Experiment

Der Stereo Detektor befindet sich in etwa 10 m Abstand von einem Forschungsreaktor am Institut Laue-Langevin in Grenoble, Frankreich. Die Neutrinoreaktionen finden in 1800 Litern eines mit Gadolinium beladenen Flüssigszintillators statt. Die vom Reaktor ausgesendeten Neutrinos werden dort über den Prozess des inversen Betazerfalls an Wasserstoffkernen (Protonen) gemessen. Der Detektor ist äußerst sensibel, um die kaum reagierenden Neutrinos messen zu können. Daher wird er von mehreren Schichten (65 Tonnen!) Blei und Polyethylen von äußeren Einflüssen wie Höhenstrahlung und Radioaktivität aus den umgebenden Experimenten abgeschirmt. Ein zusätzlicher Detektor oberhalb des eigentlichen Neutrinodetektors weist kosmische Myonen, eine dominierende Quelle von Störsignalen, nach, sodass sie von Neutrinos unterschieden werden können.

Ziel der Stereo Kollaboration ist es, bis zum Ende des Jahres 2020 insgesamt mindestens 300 Tage mit hochgefahrenem Reaktor zu messen und somit den gesamten Parameterbereich steriler Neutrinos, die für die Reaktor-Antineutrino-Anomalie verantwortlich sein können, zu testen und deren Existenz nachzuweisen oder zu widerlegen.

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L’expérience Stereo… en bref

Le but principal de l’expérience Stereo est de tester l’existence de neutrinos stériles. Les réacteurs nucléaires sont d’intenses sources de neutrinos et peuvent ainsi être exploitées pour étudier les propriétés fondamentales de ces particules élémentaires. L’existence de neutrinos stériles se manifesterait en une disparition apparente des neutrinos non-stériles produits initialement par le réacteur. La disparition est causée par une conversion entre les deux types de neutrinos. Étant donné que les neutrinos stériles ne peuvent pas être détectés par les expériences, cette conversion aurait pour conséquence que le détecteur Stereo compterait moins de neutrinos que prévu.

Neutrinos de réacteurs nucléaires

ILL Reaktor
Figure 1: Le cœur du réacteur de l'ILL, auprès duquel l'expérience Stereo est installée. © J.L. Baudet, ILL

Le neutrino, particule élémentaire, est connue sous trois types (ou saveurs): le neutrino électronique, le neutrino muonique et le neutrino tauique. A chaque type de neutrino est en outre associé un antineutrino. La désintégration radioactive des produits de fissions dans un cœur de réacteur nucléaire produit des antineutrinos électroniques, qui sont émis isotopiquement dans toutes les directions. Avec un fort taux de production dans une source bien localisée, les réacteurs nucléaires sont donc particulièrement intéressants pour les expériences de neutrinos. Une centrale nucléaire de puissance produit plus d’un sextillion de neutrinos par seconde. Mais malgré ce nombre gigantesque, la détection de neutrinos relève du défi, car ces particules interagissent très faiblement avec la matière, et des détecteurs de l’ordre de la tonne sont alors requis. Les expériences de neutrino proches de réacteur nucléaires ont eu un rôle important dans notre compréhension actuelle de ces particules. En 1956, la première détection d’un neutrino a été accomplie par l’expérience des lauréats du Prix Nobel de Physique Reines et Cowan. En outre, les expériences de neutrinos auprès de réacteurs ont apporté la preuve que les neutrinos peuvent changer de saveur et se transforment d’un type à un autre alors qu’ils se propagent. Ces oscillations de neutrinos furent observées, à titre d’exemple, par l’expérience Double Chooz.

Des neutrinos stériles? – L’Anomalie des Antineutrinos de Réacteurs

RAA Figure 2: Probabilité de survie des antineutrinos électroniques dans un cadre à trois saveurs actives (ligne pointillée), et avec l'ajout d'un neutrino stérile (ligne pleine). Les points correspondent aux flux observés par différentes expériences par rapport à la valeur attendue en fonction de leur distance par rapport au cœur du réacteur. © T. Lasserre, CEA

En plus de considérations théoriques, l’Anomalie des Antineutrinos de Réacteurs (RAA) est une motivation importante de Stereo dans sa chasse aux neutrinos stériles. Elle indique que le flux de neutrinos mesurés par beaucoup d’expériences proches de réacteurs nucléaires est inférieur (d’environ 6%) au taux prédit théoriquement, et ce, de façon significative: la probabilité que cette observation provienne d’une fluctuation statistique n’est que de 1 %. Une explication plausible serait alors la conversion des neutrinos de réacteurs en neutrinos stériles, qui ne peuvent être détectés par les expériences.

L’expérience Stereo

Le détecteur Stereo est à 10m du cœur du réacteur de recherche de l’Institut Laue-Langevin, à Grenoble, en France. La détection des neutrinos s’effectue dans 1800 litres de liquide scintillant dopé au Gadolinium (Gd). Dans le liquide, les neutrinos sont détectés grâce à la désintégration Bêta inverse sur les noyaux d’hydrogènes (protons). Les neutrinos n’interagissant que très faiblement, le détecteur se doit d’être hautement sensible. Ainsi, 65 tonnes de plomb et de polyéthylène sont utilisées pour blinder le détecteur des radiations cosmiques et de la radioactivité ambiante provenant des expériences voisines. Un détecteur supplémentaire au dessus de Stereo permet d’identifier les muons cosmiques, qui sont une des sources dominantes d’événements indésirables capables d’imiter le signal d’un neutrino.

La collaboration Stereo a pour but d’acquérir plus de 300 jours de données lorsque le réacteur est en fonctionnement d’ici 2020, afin de tester la majeure partie des paramètres les plus probables décrivant l’existence de neutrinos stériles, et ainsi de prouver ou d’infirmer leur existence et de tenter d’apporter la lumière sur l’origine de l’Anomalie des Antineutrinos de Réacteurs.