Brevet FR2673297A1 — publié le 19920828

PROCEDE DE DETECTION ET DETECTEUR DE NEUTRINOS La présente invention concerne un détecteur de neutrinos et plus particulièrement un tel détecteur adapté à la detection des neutrinos solaires. les études sur les neutrinos solaires présentent une importance considérable à l'échelle astrophysique. D'une part, on en attend des informations sur la structure profonde du soleil. D'autre part, une meilleure connaissance de l'intensité du raym- nement cosnique de neutrinos dans l'univers et une meilleure connaissance de leur masse permettraient de clarifier les idées sur le caractère ouvert ou fermé des rrodeles de l'univers. Raghavan (Physical Review Leteers, 37 (1976) 259) a proposé, comme détecteur permettant de détecter des neutrinos solaires de faible énergie, des scintillateurs liquides à indium 115. L'intérêt de l'interaction neutrino/115indium est confirmé dans un article de L. Gonzalez-Mestres et D. Perret Gallix, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A279 (1989) 382-387. Toutefois, cet t article souligne l'inconvénient des scintillateurs liquides et l'avantage qu'il T il y aurait à utiliser des composés d'indium disponibles sous forme de cristaux scintillateurs de haute qualité présentant une transparence suffisante. On considèrera ici oet t article comme connu, de même que les références qui y sont citées et on ne décrira pas à nouveau les aspects matériels d'un détecteur de neutrinos qui apparaissent déjà dans cet article. Rappelons que l'interaction entre un neutrino et de l'indium 115 s'exprime par la relation suivante c'est-à-dire que l'interaction entre un neutrino et de l'indium 115 donne de l'étain 115 à un état excité et un électron. La différence de niveaux d'énergie entre In et Sn* est de l'ordre de 118 keV. on pourra donc détecter des neutrinos d'énergie supé rieure à 118 keV. L'énergie de l'élecrun correspond à énergie du neutrino moins cette valeur de 118 keV. Ensuite la transition de l'atome d'étain de son état excité à un état stable s'effectue en passant par un état métastable intermédiaire et produit deux raies gamna, d'énergies respectives de 498 et 116 keV.La détection se fait d'une part en détectant l'intensité de la scintillation provoquée par l'électron, qui a lieu sensiblement au moment de l'absorption du neutrino, d'autre part en détectant les deux raies y susmentionnées. Un avantage de cette réaction est qu'il existe un temps de retard entre la production de l'électron et la génération des raies y qui est de l'ordre de quelques mica secondes (environ 3,3 microsecondes). On peut ainsi détecter de fanon relativement fiable cette réaction entre un neutrino et In en observant la corrélation entre la génération d'un électron et la génération des raies y et distinguer ainsi cette réaction du bruit du détecteur. En tant que composés cristallins transparents et susceptibles de constituer des scintillateurs, Gonzalez-Mestres et al. mentionnent InBO3, InBaF5, InLiF4, In2 O3, InGaO3 In2 SiO5, In2 Si2 O7, ces composés étant éventuellement dopés au Tb3+, Eu3+ ou Ce3+. Toutefois, l'article susmentionné n'indique pas un inconvénient important du 115In comme détecteur de neutrinos. Cet inconvénient est que la section efficace du 115In 'n vis-à-vis des neutrinos, c'est-à-dire la probabilité pour qu'un neutrino interagisse avec un atome de 115 In, est mal connue. Ainsi, si on réalise un détecteur constitué de cristaux scintillateurs ccmprenant de l'iddium et si l'on veut obtenir des mesures absolues, il faudra étalonner au préalable ce détecteur. Ceci nécessite l'emploi de sources gigantesques pendant des durées très longues (de l'ordre de l'année). Pour éviter cet inconvénient, la présente invention prévoit l'utilisation d'une famille de cristaux scintillateurs d'indium particuliers : des fluoroindates, c'est-à-dire des cristaux incluant du fluor et de l'indium. Le fluor est susceptible de réagir avec un neutrino de la façon suivante : @ + 19F # 19Ne + e Cette réaction présente un seuil supérieur à 3 MeV, c'est-à-dire que seuls des neutrinos d'énergie supérieure à environ 3,2 MeV pourront être détectées. La détection s'effectue d'une part en détectant par scintillation l'électron produit et, d'autre part, du fait que le neon 19 est radioactif et a une durée de vie de l'ordre de 17 secondes, temps après lequel il donne naissance à un atane de fluor 19 et à un positron qui, après ralentissement, tendra à se recombiner avec un électron du milieu pour s'anihiler et fournir des rayonnements y à 511 keV.Ainsi, la réaction entre un neutrino et du fluor 19 présente une signature bien caractéristique résultant de la détection de l'électron initial puis d'une paire de raies y à 511 keV après un temps de retard d'une durée moyenne de 17 seondes. Un avantage de la réaction entre les neutrinos et le fluor 19 est que la section efficace d'interaction est relativement élevée, du même ordre de grandeur que la section efficace de 1' interaction neutrino-indium, et est bien connue (de 1 'ordre de 1,69#10-42 cm2). Toutefois, le fluor à lui seul constitue un mauvais détecteur de neutrinos solaires. En effet, parmi les réactions susceptibles de produire des neutrinos au niveau des couches profondes du soleil, on peut citer - les interactions proton-proton, p + p # d + e+ + v dans lesquelles l'interaction de deux protons donne du deutérium, un positron et un neutrino, l'énergie de ce neutrino étant située dans une plage inférieure à 420 kev;; - les interactians électron-béryllium, e- + 7Be # 7Li + v dans lesquelles l'interaction d'un électron et de béryllium donne du lithium et un neutrino dont l'énergie correspond à une raie précise de 862 keV et - les désintégrations de bore, 8B # 8Be + e+ + v dans lesquelles du bore 8 se désintègre en béryllium 8 et un positron avec génération d'un neutrino dont l'énergie est située dans une plage inférieure à environ 14 MeV. Comme on l'a vu précédemment, seuls ces derniers neutrinos pourront être détectés par interaction avec du fluor 19 le seuil de réactivité étant de l'ordre de 3 MeV. Le fluor constitue donc un mauvais détecteur de neutrinos solaires puisqu'il ne permet pas de détecter les neutrinos de faible énergie résultant des deux premières réactions, ces s neutrinos étant d'un intérêt particulier pour l'étude des réactions nucléaires apparaissant dans les couches profondes du soleil. Toutefois, étant donné que les neutrinos de forte énergie ant une probabilité connue d'interagir avec le fluor, on peut, en mesurant les signatures résultant des interactions avec le fluor, déterminer le nombre de neutrinos de haute énergie ayant bartbrdé le détecteur. Connaissant ce nombre de neutrinos, et ayant également mesuré le nombre de signatures résultant des interactions des neutrinos de haute énergie avec l'indium, on peut en déduire la section efficace d' interaction de l'indium et donc étalonner le détecteur.En effet, on sait de façon précise déterminer la section efficace d'interaction des neutrinos avec 1'indium pour des neutrinos de basse énergie quand on connait cette section efficace pour des neutrinos de haute énergie. Ainsi, à condition de détecter les signatures résultant des interactions neutrino-fluor et les signatures résultant des interactions neutrino-indium, on peut arriver à une mesure absolue du nombre de neutrinos de diverses énergies ayant frappe le détecteur pendant une durée donnee. Cri soulignera que, si l'article susmentionné prévoit parmi les cuppoés possibles d'indium formant des cristaux susceptibles d'être transparents et de présenter une scintillation, des composés comprenant du fluor, il n'est en aucun cas suggéré dans cet article d'étudier la signature neutrino-fluor. Le fluor est mentionné uniquement pour ses propriétés cristallo- graphiques en association avec l'indium. Parmi les fluorindates susceptibles de constituer des scintillateurs, avec adjonction éventuelle d'un dopant, par exemple une terre rare, on peut mentionner les fluorindates de formule générale MInxFy tels que MInF4, Me InF6, MIn3 F10, M désignant un ou plusieurs éléments choisis dans le groupe comprenant les alcalins et les alcalino-terreux. Des premiers essais réalisés par le demandeur montrent que des fluorîndates peuvent être fabriques en monocristaux de dimensions suffisantes. En effet, comme cela est indiqué dans l'article sus-mentionné, il conviendra de fabriquer des monocristaux de relativement grandes dimensions, par exemple de 3,5 X 3,5 X 20 cm3 pour un détecteur qui peut rassembler 2.104 monocristaux de cette dimension assemblés et associés chacun à des détecteurs de scintillation. L'homme de l'art pourra par des essais simples et rapides sélectionner des composés présentant des propriétés de scintillation et de transparence optimales. I1 pourra également choisir des dopants favorisant la scintillation. Ainsi, la présente invention prévoit un détecteur de neutrinos constitué d'un assemblage de cristaux de fluorindate constituant des scintillateurs et un procédé de détection de neutrinos comprenant les étapes suivantes exposer à un flux de neutrinos un détecteur comprenant un assemblage de monocristaux de fluorindate, identifier le nombre d'événements correspondant à la capture de neutrinos de haute énergie par des atomes de fluor, en déduire le nombre de neutrinos de haute énergie ayant atteint le détecteur, identifier le nombre d'événements correspondant à la capture de neutrinos de haute énergie par des atomes d'indium, en déduire la section efficace de l'indium pour les neutrinos de haute énergie, et utiliser cette valeur de section efficace pour étalonner les réactives résultant d'interactions de neutrinos de faible énergie et d'indium. On notera en outre qu'une fois un tel détecteur fabriqué, il pourra également être utilisé comme détecteur de neutrons puisqu'il est connu que l'indium 115 réagit avec un neutron pour fournir un atome d'indium 116 à un état excité qui revient à son état stable après une période d'environ 54 minutes. REVENDICATIONS 1. Procdé de détection de neutrinos, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes exposer à un flux de neutrinos un détecteur comprenant un assemblage de monocristaux de fluorindate, identifier le nombre d'événements correspondant à la capture de neutrinos de haute énergie par des atomes de fluor, en dévire le nombre de neutrinos de haute énergie ayant atteint le détecteur, identifier le nombre d'événements correspondant à la capture de neutrinos de haute énergie par des atomes d'indium, en deduee la section efficace de l'indium pour les neutrinos de haute énergie, et utiliser cette valeur de section efficace pour étalon- ner les réactions résultant d'interactions de neutrinos de faible énergie et d'indium. 2. Détecteur de neutrinos, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un assemblage de cristaux de fluorindate constituant des scintillateurs. 3. Détecteur de neutrinos selon la revendication 2, caractérisé en ce que le fluorindate du type MInxFy est choisi dans les familles comprenant MInF4, M3InF6, MIn3FlO, M désignant un ou plusieurs éléments choisis dans le groupe compre- nant les alcalins et les alcalino-terreux. 4. Detecteur de neutrinos selan la revendication 2, caractérisé en ce que chaque monocristal est sous forme d'un batonnet associé à des détecteurs de scintillation permettant de détecter les scintillations caractéristiques des réactions neutrino/indium et neutrino/fluor.