Description de l'expérience Double Chooz

La physique des neutrinos a accompli dans les cinq dernières années des progrès considérables. De tous ces travaux, il résulte que les neutrinos sont massifs, bien que plusieurs millions de fois plus légers que l’électron, et que les trois espèces de neutrinos existantes (ν_e, ν_μ, ν_τ) ont cette propriété étonnante de convertir leur saveur leptonique par le phénomène d’oscillation. Il s’agit d’un indice tangible de l’existence d’une physique non décrite par le Modèle Standard Minimal de la physique des particules.

D’une façon similaire à ce que l’on observe dans le secteur des quarks, le phénomène d’oscillation de neutrinos dépend de trois angles de mélange, θ₁₂, θ₂₃ et θ₁₃, ainsi que d’un terme complexe, la phase de violation de symétrie CP. Ce dernier terme pourrait être à l’origine de l’asymétrie matière antimatière de l’Univers observable. L’amplitude de la violation de CP dans le secteur des leptons dépend directement de la valeur des angles de mélanges θ₁₂, θ₂₃ et θ₁₃, mesurables par les expériences d’oscillation de neutrinos. Jusqu'à présent, seuls les deux angles θ₁₂ et θ₂₃ ont été mesurés de façon assez précise. Ils ont tous deux des valeurs étonnamment élevées en comparaison avec le secteur des quarks. Par contre, la valeur de l’angle θ₁₃ reste mal connue. Autant pour comprendre la phénoménologie des oscillations de neutrinos, qu'en vue d'une mesure de violation de CP dans le secteur des leptons, une expérience mesurant proprement θ₁₃ permettrait de définir clairement la feuille de route de la physique des neutrinos dans les vingt prochaines années.

Parmi tous les moyens déjà envisagés pour mesurer cet angle de mélange, l’expérience Chooz (France) a seulement réussi à contraindre sa valeur, sin²(2θ₁₃)<0,20 (90% C.L., pour Δm²_atm = 2,0 10^-3 eV²). Il s’agit de la meilleure contrainte mondiale actuelle ; elle nous apprend déjà que θ₁₃ est significativement plus petit que les deux autres angles θ₁₂ et θ₂₃. L’expérience Double Chooz se propose d’améliorer la sensibilité de la première expérience en recherchant la troisième oscillation de neutrinos (1 à 3) jusqu’à sin²(2θ₁₃)>0,04-0,05 (découverte à « 3σ », Δm²_atm=2,0 10^-3 eV² et connu avec une précision de 20%). Par contre la limite supérieure serait améliorée à sin²(2θ₁₃)<0,02-0,03 (90% C.L., Δm²_atm=2,0 10^-3 eV²) si aucune disparition d’antineutrinos électroniques n’était observée. Bien qu’il n’y ait pas de consensus dans ce domaine, certains modèles prévoient actuellement des valeurs de θ₁₃ proches de la limite actuelle donnée par l’expérience.