L'expérience Stereo (Sterile reactor oscillation) recherche un neutrino qui n'interagirait que par gravité avec les autres particules. Après quelques mètres de parcours, il pourrait cependant osciller vers un des trois types de neutrinos déjà connus et ainsi signer sa présence. L'existence de ce neutrino discret, dit stérile, expliquerait le déficit de neutrinos observés à proximité des réacteurs nucléaires et ouvrirait une porte vers une nouvelle physique, au-delà du modèle standard de la physique des particules.

Stereo est installé à dix mètres du Réacteur à haut flux de l'Institut Laue-Langevin, à Grenoble. Si le neutrino stérile existe, son oscillation vers un autre état sera observable à travers des distorsions induites dans les spectres de neutrinos standard, mesurés dans les six cellules successives de Stereo.

À cette distance, plus de 10¹⁵ neutrinos issus des désintégrations radioactives des produits de fission traversent chaque seconde le liquide scintillant du détecteur mais un seul neutrino est intercepté en moyenne toutes les 4 minutes ! Il est donc impératif de protéger l'expérience de multiples sources susceptibles de brouiller ces signaux rarissimes.

Heureusement, les physiciens disposent d'une signature spécifique du neutrino. Le neutrino « actif » réagit avec un proton du détecteur en produisant, dans l'état final, un positon et un neutron. Le neutron est ensuite capturé par un atome de gadolinium (en suspension dans le liquide) qui émet une cascade de rayons gamma à 8 MeV, nettement au-dessus de la plupart des signaux parasites.

Cependant le signal à 8 MeV est dégradé en raison des dimensions resserrées du détecteur car seule une partie de l'énergie des rayons gamma de la cascade est déposée à l'intérieur du détecteur, le restant s'échappant à l'extérieur. Pour obtenir une efficacité de détection de Stereo au pourcent près, il faut décrire très précisément les cascades gamma du gadolinium.

C'est pourquoi les physiciens des particules ont noué une collaboration avec leurs collègues de la DEN, à Cadarache, experts en simulation numérique. En décrivant la production et la désexcitation des fragments de fission, leur code Fifrelin permet de tester des modèles pour la compréhension du processus de fission et fournit des données nucléaires pour la physique des réacteurs.

Avec Fifrelin, il est possible de modéliser la cascade d'émission de gammas et d'électrons issus de la désexcitation d'un noyau de gadolinium ayant capturé d'un neutron. Après calcul de toutes les probabilités de transitions partielles entre les niveaux d'énergie des nucléons, le code échantillonne des millions de cascades électromagnétiques, avec une maîtrise simultanée du nombre et de l'énergie des rayons gamma. Ces cascades sont ensuite utilisées dans la simulation de la réponse du détecteur Stereo.

Cette rencontre fructueuse accompagne à point nommé l'évolution de Stereo vers la haute précision. La technologie des scintillateurs dopés au gadolinium étant largement employée pour la détection des neutrinos, cette avancée profite déjà à d'autres projets. Dix millions de cascades du gadolinium simulées par Fifrelin ont ainsi été mises à la disposition de la communauté scientifique.