1 Les activités actuelles et futures Bref état des lieux de la physique des Les au LAPP  En cours: OPERA/CNGS  Moyen terme: Le projet STEREO et SuperNemo.

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1 1 Les activités actuelles et futures Bref état des lieux de la physique des Les au LAPP  En cours: OPERA/CNGS  Moyen terme: Le projet STEREO et SuperNemo  Long terme: LBNO Conclusions D.Duchesneau LAPP, Annecy Conseil Scientifique du LAPP 24 janvier 2013

2 ? 2 Les neutrinos: des fermions à part hep-ex/0509008  masse très faible, certainement < 1 eV/c 2 (1/2 millionième de la masse de l’électron)  sensibles à l’interaction faible seulement  fermions neutres => peuvent être leur propre antiparticule (Majorana vs Dirac)  produits comme superposition cohérente de 3 états de masse dans les désintégrations faibles  grand mélange leptonique versus petits angles de mélange quarks (CKM) sont massifs => indication de physique au-delà du Modèle Standard; doit être adapté pour réconcilier les massifs et le Higgs  N = 2.9840+- 0.0082 malgré les nombreux progrès expérimentaux, leurs propriétés sont moins bien testées que celles des quarks et des leptons chargés avec encore de nombreuses inconnues

3 3 atmospheric showers (L ~20 et 12 000 km) Superkamiokande    Reactor (L ~180 km) Une période riche en succès expérimentaux (15 dernières années) SNO e  e  sun 2000 1998 Neutrino beam (L ~730 km)    Minos 2005 2008 Observation de l’oscillation de  par disparition

4 4     -  + hadrons et  -   o  - OPERA avec faisceau CNGS     730 km 2010 Observation de l’oscillation de  par apparition T2K avec faisceau JPARC   e 2011 295 km un 2 ème evenement  a été observé en 2012

5 5 Formalisme de base Matrice MNSP et oscillation à 3 (MNSP: Maki-Nakagawa-Sakata-Pontecorvo) U  j est la matrice de mélange Matrice de mélange: 6 paramètres à déterminer: 3 angles, 2 différences de masse, 1 phase de violation CP probabilité d ’oscillation Cadre théorique conforté depuis près de 15 ans

6 6 La dernière avancée majeure: angle  13 T2K :   e T2K sin 2 2  13 = 0.094 (±10%) 10 candidates back exp. 2.37 Auprès des accélérateurs par apparition e 3 experiences; Double Chooz (France) Daya Bay (China) Reno (Korea) e  e Auprès des réacteurs par disparition de  e  13 grand => important pour la hiérarchie de masse et pour recherche de la violation CP 2012

7 7 6 parameters  m 2 12  m 2 23  sin²  12 sin²  23 sin²  13  7.54 10 -5 eV² 2.43 10 -3 eV² 0.307 0.386 0.024 21% Precision 2  5% 7% 11% 12% Valeur ? Ref: G.L. Fogli et al. arXiv:1205.5254v3 Etat des lieux des mélanges 2012 Signe ? Échelle de masse ?

8 8 ● quelle est l’échelle de masse absolue? - fondamental pour cosmologie et le schéma d’unification des interactions -temps de vol: Supernova 1987A m< 20 eV; -désintégration beta : Tritium m< 2.5 eV; -fluctuations fond cosmologique diffus: WMAP m<0.23 eV ● les neutrinos sont-ils leur propre antiparticule (Majorana) ou pas (Dirac) ? - si Majorana => violation du nombre leptonique, conséquence théorique (leptogénèse, GUT) double désintégration beta sans émission de (possible indice sur masse et hiérarchie) ● La symétrie CP est-elle violée dans le secteur des leptons? - i.e. a-t-on P(    ) ≠ P(     ) dans le vide? condition nécessaire pour la leptogénèse expériences faisceau long baseline car CP due à termes d’oscillation sous-dominants ● Quelle est la hiérarchie de masse? - essentiel pour la quête de la violation CP Distinguée par effet de matière sur oscillations (long baseline, atmosphérique…) ● Existe-t-il plus de 3 neutrinos, quelle est l’origine de l’anomalie réacteur? - certaines données expérimentales suggèrent neutrino(s) stérile(s) de masse de l’ordre d’ 1eV Expériences d’oscillation courte distance sur réacteurs, avec sources intenses ou sur accélérateurs... mais encore de nombreuses questions fondamentales: Quelques exemples et comment y répondre expérimentalement:

9 Bugey Chooz Nomad OPERA (en cours: exploitation / analyse) Les au LAPP longue tradition d’étude des oscillations sur réacteurs et sur faisceau Les motivations des questions de physique et l’expérience acquise nous amènent à proposer de poursuivre les activités neutrinos en suivant différents axes de recherche dans le cadre du développement du pole neutrino de ENIGMASS. 9

10 Collaboration: LAPP, LPSC, LSM et LAPTh Le programme neutrino ENIGMASS couvre l’essentiel des thèmes fondamentaux de recherche de la physique des neutrinos -Oscillation, hiérarchie de masse et violation CP -la nature des neutrino -les neutrinos stériles -les neutrinos de supernova Ce programme est en accord avec les ‘roadmaps’ nationale et internationale en cours. Il utilisera des infrastructures existantes dans la région: CERN, LSM, ILL Court terme (2012 -2016): oscillation CNGS/OPERA neutrino stériles et anomalies (réacteur ILL, STEREO) Moyen terme (2012 – 2020) : Double désintégration béta (LSM, SuperNEMO) Etude de projet Long Baseline (LSM est un des sites candidats) Long terme (2020 et au delà): expérience Long Baseline (CERN, LSM) Implication des groupes de théoriciens du LAPTh et LPSC Pole neutrino dans ENIGMASS 10

11 Résumé synthétique des activités du LAPP prévues dans ce cadre: OPERA:  Analyse de données pour la recherche d’oscillation     Suivi du fonctionnement des manipulateurs de briques Projet STEREO ( demande ANR programme blanc soumise le 17/01/2013 ) Développement du système de calibration par sources du détecteur à scintillateur liquide (cf: présentation au CS du LAPP du 19/12/12) Etude de conception de la structure support des blindages Démonstrateur de SuperNEMO développement des feuilles source double beta du détecteur développement du ‘Slow control’ du détecteur 11 Pour le long terme: Projet de faisceau longue distance (type LBNO) avec détecteur Argon liquide ou Cerenkov à eau. Design Study en cours avec Laguna-LBNO

12 Chercheurs P. del Amo Sanchez, D. Duchesneau, A. Zghiche H. Pessard (émérite depuis sept. 2011) F. Brunet (thèse soutenue le 12/12/12) OPERA (situation janvier 2013) 18 m BMS équipe technique impliquée Mécanique: L. Giacobone, F. Peltier Automatisme: I. Monteiro Informatique: T. Le Flour Activités principales:  Système de manipulation des briques cibles (BMS) dont le LAPP est responsable  Analyse de physique des oscillations dans les canaux   3h et   e et étude   e En 2012 le groupe OPERA du LAPP a réalisé: 1 encadrement de thèse (F. Brunet sous la direction de A. Zghiche) 2 présentations à des workshops internationaux (Blois 2012 et NNN12) 3 publications dans des revues avec comité de lecture dont une comme auteur principal organisation du meeting de la collaboration à Annecy en décembre Prise de données et fonctionnement des BMS 12

13 13 Les BMS en quelques chiffres Les 2 manipulateurs de briques on déjà déplacé les 1,3 ktons de la cible complète depuis 2008 Les 2 plateformes (1.5 tons) voyagent verticalement une distance moyenne de 1km/semaine avec une précision de positionnement de 10 microns Les 2 petites voitures parcourent 4km/semaine pour déplacer 11000 kg de briques (  1300 briques/sem/) Ensemble très fiable 26 moteurs 100 capteurs La maintenance semestrielle régulière permet de maintenir ces hautes performances: fonctionnement prévu en 2013 et une partie de 2014 Les systèmes informatiques de contrôle et de suivi avec DB répondent aux besoins depuis le début.

14 Situation de l’expérience:  Dernier run du faisceau CNGS en 2012 Fin de la prise de données le 3/12/2012. Pas d’extension acceptée avant le ‘shutdown’ des machines au CERN en 2013. Le nombre de protons sur cible (pot) en 2012 est de 4x10 19 pot ce qui fera un total de 18.2x10 19 pot de depuis 2008 (80% de l’intensité nominale)  Résultats récents d’oscillation Observation de 2 candidats  avec l’analyse de 30% des données Mesure du taux de e et contrainte sur l’apparition de e par oscillation 1 er candidat 2 eme candidat    3h     h -   Le groupe du LAPP est directement impliqué dans les analyses de ces 2 résultats:  détection des électrons dans OPERA pour la recherche et l'étude de e ainsi que pour l'étude du canal   e (sujet de thèse de F. Brunet avec A. Zghiche)  étude du canal   3 hadrons chargés et analyse du fond charmé associé (P. del Amo Sanchez et D. Duchesneau) Exemple de gerbe d’électron 14

15 Et la suite:  Poursuivre l’implication sur l’expérience OPERA, l’exploitation des données et l’analyse en vue de l’obtention de résultats de physique significatifs pour la meilleure compréhension du mécanisme d’oscillation neutrino et pour publications.  L’analyse des données enregistrées jusqu’au dernier ‘run’ CNGS de 2012 s’étendra au moins jusqu’en fin 2014.  Une demande de stage M2 et une proposition de thèse pour un volet d’analyse avec les données OPERA (en cours) Responsabilités niveau OPERA: H. Pessard :chairman du comité éditorial, le ‘Publications and Talks Board’ d’OPERA; réélu membre du PTB pour un nouveau mandat D. Duchesneau est membre de l’’Executive Committee’ et coordinateur du volet manipulation des briques et de la cible au sein de l’expérience 15

16 Laboratoires ENIGMASS impliqués: LAPP, LPSC Activités: développement et mise en place d’un détecteur scintillateur liquide à l’ILL Période: 2013-2016 Objectifs: recherche de neutrinos stériles ou contraindre son existence dans l’espace des paramètres des anomalies actuelles Physiciens: LAPP: P. Del Amo Sanchez, H. Pessard + post doc ANR LPSC: A. Stutz, S. Kox, F. Montanet, J.S. Real Le projet STEREO Détecteur de 2m 3 de liquide scintillant dopé au Gd (0.2%) Placé à 8m du coeur du réacteur de l’ILL Signature:  ν e +p→e + +n Cible compartimentée pour voir la dépendance en L/E à différents L Détection avec photomultiplicateurs de 10 ’’ 16

17 Demande ANR déposée le 17/01/2013 Porteur de projet David Lhuillier (Irfu, CEA) Collaboration: CEA Saclay: détecteur interne LAPP: Système de calibration avec sources radioactives + mécanique des blindages LPSC: électronique d’acquisition + µ veto + blindages ILL: caractérisation du site, aménagement de la casemate, beam stopper Max-Planck-Institut Heidelberg: scintillateur liquide Univ. Hassan II & CNESTEN, Casablanca: système de calibration à LED, blindage mur frontal Le projet STEREO Calendrier: 05/2013 décision de financement ANR 2013-2014 Design & construction automne 2014 Installation à l’ILL 2015-2016 run de Physique 17

18 18  -veto - water 10 cm lead front wall Polyethylene 5 target cells 40 cm thick 10 cm lead ~ 3.30 m 20 cm acrylic buffer Le projet STEREO au LAPP Chercheurs P. del Amo Sanchez, H. Pessard + 1 post doc sur financement ANR équipe technique envisagée (2013) Mécanique: 1 IR 50% (> 04/13), 1 AI 60% (> 04/13), 1 T 60% (> 09/13) Automatisme: 1 IR 50% (à partir de 09/13) Activités principales:  Développement du système de calibration avec sources radioactives: γ sources ( 22 Na, 60 Co, 68 Ge n capture par H & Gd)+ n sources (Am-Be)  Etude mécanique des blindages PE et plomb  Développement des logiciels de calibration et monitoring Encadrements:  1 stagiaire M2 physique de fév. 2013 à juin 2013 pour simulation et optimisation du positionnement des sources de calibration  1 demande de thèse en cours pour analyse OPERA + développement STEREO  1 stagiaire Licence pro envisagé pour le volet automatisme

19 SuperNEMO: désintégration double beta sans neutrino Laboratoires ENIGMASS impliqués: LSM, LAPP Activités: développement et mise en place du démonstrateur de SuperNemo 7kg de Se. Période: 2012-2016 avec installation au LSM en 2014 et prise de données 2015-2016 Objectifs: démontrer la faisabilité de réaliser ce détecteur très basse radioactivité et contraindre l’existence du processus double beta dans la région …. Physiciens: LSM: F. Piquemal, P. Loaïza, étudiant de thèse (co-tutelle avec CEA) LAPP: D. Duchesneau + 1 post-doc ENIGMASS (A,Z)  (A,Z+2) + 2 e - Détecteur composé d’une chambre à traces et d’un calorimètre + feuilles sources de l’isotope 2  Observables: énergie électrons, distribution angulaire 19

20 ~ 100 physiciens, 10 pays, 27 laboratoires SuperNEMO 1 module 20 modules Demonstrator module 20 Modules Source : 82 Se 7 kg100 kg Drift chambers for tracking 2 00040 000 Electron calorimeter 50010 000  veto (up and down) 1002 000 T 1/2 sensitivity 6.6 10 24 y (No background) 1. 10 26 y sensitivity 200 – 400 meV40 – 100 meV Installé dans l’extension du LSM Similar tracking approach as Nemo3  event E 1 +E 2 = 2088 keV  t= 0.22 ns (  vertex)  = 2.1 mm E1E1 E2E2 e-e- e-e- 20

21 Calorimeter  E/E < 4% @ 3 MeV (NEMO3 8.6% at 3MeV) Source 214 Bi < 10  Bq/kg (NEMO3 100  Bq/kg) 208Tl < 2  Bq/kg (NEMO3 100  Bq/kg) Tracker 3.7 m long (NEMO3 2.7 m)  t = 5 mm,  z = 1 cm Radon < 0.15 mBq/m 3 (NEMO3 5 mBq/m 3 ) Wiring robot SuperNEMO Demonstrator Global efficiency : 30 % (NEMO3 8%) Objective: to reach the background level for 100 kg to perform a no background experiment with 7 kg isotope of 82 Se in 2 yr 21

22 22 SuperNEMO au LAPP Chercheurs D. Duchesneau, 1 post doc ENIGMASS (sélection en cours) équipe technique envisagée (2013) Mécanique: 1 IR 20%, 1 T 15% Electronique: 1 IR (50%) Activités principales:  Développement d’une méthode pour produire et optimiser les feuilles sources de 82 Se en collaboration avec LSM  Développement du système de ‘slow control’  Simulation des performances du démonstrateur en fonction des paramètres des sources  ‘Commissioning’ au LSM et analyse des données du démonstrateur Exigences:  Epaisseur 40 mg/cm 2, homogeneité < 5%  Pas de vieillissement dans une atmosphere de He + 4% alcool  Rigidité mécanique des feuilles sources 3,5 kg de 82 Se enrichi à 98% en France R&D @ CPPM

23  Construction a commencé pour différents éléments  Installation et commissioning (2013 – 2014)au Laboratoire Souterrain de Modane  Prises de données 2015-2016  Pas de fond attendu  Sensitivité après 2 ans : T 1/2 > 6.6 10 24 y et < 0.2 -0.4 eV Installation au LSM et calendrier 23

24 24 Pour le long terme: expérience sur faisceau et futurs projets souterrains pour neutrinos de faisceau et astrophysique une réflexion est en cours aussi à l’échelle nationale

25 Effort européen (études similaires se font aux US et Japon) Etudes de projet futur faisceau en Europe (LAGUNA-LBNO) 25

26 26 Liq. Argon →100kT Water Č erenkov 2x 300kTLiq. Scintillator→50kT Propriétés des  oscillation, violation CP leptonique: faisceaux, atm..) Etudes de phénomènes astrophysiques liés aux :  Effondrement gravitationnel d’étoiles ( des Supernovae)  Formation des étoiles au début de l’univers (fond diffus de de SN)  Etude des processus de fusion avec  solaires) Test des modèles géophysiques de la terre (Geo -, U, Th - ) Désintégration du proton Riche programme de physique Période: 2012-2014 Objectifs: étudier l’implantation réaliste d’un détecteur WC au LSM pour études violation CP et comparer performances avec LAr en Finlande; fournir le rapport en 2014 Physiciens (faible contribution): LAPP: D. Duchesneau, H. Pessard; LSM: F. Piquemal, L. Mosca

27 Laboratoires: LAPP, LSM Période: de 2014 à 2018; Objectifs: à la suite des décisions sur la meilleure stratégie qui seront prises en 2014, participation à la R&D et préparation d’un futur détecteur souterrain (WC ou LAr); Ainsi qu’à l’étude de la physique avec ce détecteur  Neutrinos de Supernovae  Cosmologie  Calcul de sections efficaces Neutrino (atmosphériques et accelerateurs) Implication théorie : LAPTh, LPSC 27 Les oscillations des neutrinos: expérience sur faisceau et futurs projets souterrains pour neutrinos de faisceau et astrophysique (suite)

28 28  La physique des neutrinos est un domaine très dynamique et passionnant avec des défis expérimentaux intéressants à relever  Le LAPP bénéficie d’un atout avec ENIGMASS pour développer une activité neutrino suivant un programme en cohérence avec les autres laboratoires et touchant les questions fondamentales du moment avec retour de physique sur le moyen terme.  Nous proposons une activité expérimentale en équipe avec les laboratoires de ENIGMASS selon 3 axes principaux pour les prochaines années.  neutrinos stériles et anomalies.  la recherche de désintégration double beta sans neutrino (SuperNemo)  les oscillations des neutrinos: expérience sur faisceau et futurs projets souterrains pour neutrinos de faisceau et astrophysique (OPERA et LBNO)  Le projet STEREO va dépendre de la décision de l’ANR. Selon le résultat nous aurons peut être à réorganiser ce volet pour redéfinir un projet sur les stériles. => il faudra faire le point au prochain conseil de laboratoire en juin? Conclusions et perspectives:

29 29 La décision du CERN de raviver une activité neutrino avec notamment programme de R&D sur la technologie LAr pour détecteur lointain des faisceaux longue distance est à considérer dans la réflexion (niveau nationale inclus) expérience sur faisceau et futurs projets souterrains pour neutrinos de faisceau et astrophysique

30 ThèmeExpérimentalthéorielabos Double betaDémonstrateur 7kg de SuperNemo au LSM; développement fabrication source Se; exploitation du détecteur Dans le long terme: lien avec cosmologie pour m LAPP, LSM, LAPTh Oscillation sur faisceau et projet souterrain Analyse des données CNGS- OPERA Calcul de sections efficaces d’interactions dans le domaine du GeV pour les projets LBL (applicable aux atm. pour détecteurs LAGUNA) LAPP, LPSC Etude de faisabilité avec LAGUNA-LBNO: détecteur WC de 660kT; simulation; R&D pour futur projet souterrain WC ou LAr; physique de ces détecteurs. Phénoménologie: de SN: comparer les performances des différentes technologies pour mettre en évidence certaines signatures de modèle. Possible sensibilité à la hiérarchie de masse LAPP, LSM, LAPTh, LPSC Neutrinos stérilesProjet de détecteur à liquide scintillant près d’un réacteur à cœur compact (ILL); recherche de stérile dans le domaine suggéré par les anomalies. Projet SEDINE Impact cosmologique de l’existence des s correspondants aux anomalies réacteurs… LAPP, LAPTh, LSM, LPSC Structure et liens de recherche entre labos d’ENIGMASS pour le Pole neutrino 30Projet neutrino ENIGMASSGrenoble 30/05/2012 Conclusions et perspectives (II):

31 31 The End

32 In addition to source and reactor experiments, SBL beam projects exist. Ex: Icarus T600 at CERN (project submitted to SPSC) Anomaly investigation and search for sterile neutrino 32

33 33 Anomalies in 3- interpretation of global neutrino oscillation data if new oscillation signal, requires Δm 2 ~ O(1eV 2 ) and sin 2 2θ > 10 -3 ➔ very short baseline oscillation for reactor v, L osc ~ 2-10m Short-baseline reactor anomaly (νe disappearance) Improved reactor neutrino spectra +3.5%

34 100 – 1000 cts/yr/ton 1 – 10 cts/yr/ton 0.1 – 1 cts/yr/ton Masse de l’isotope ~ 10 kg 2012 ~ 1000 kg Niveau de fond considéré dans la ROI |m ee | S T Petcov 2009 J. Phys.: Conf. Ser. 173 012025 ~ 100 kg 2015 La prochaine génération utilisera≥ 100 kg (commencé avec les expériences Xe) Forte réduction des fonds nécessaire (200 – 400kg 136 Xe) Objectifs de la prochaine génération Expériences de Double désintégration béta 34

35 Calorimeter Tracko-calo N Bckg, isotopes 82 Se ( 150 Nd, 48 Ca) Pixellized CdZnTe , N Bckd 116 Cd TPC , N Bckd 136 Xe, 150 Nd Ge diode ,  E 76 Ge Bolometers ,  E 130 Te, 82 Se, 100 Mo Liquid Xe ,M, (N bckd ) 136 Xe Liquid Xe ,M, (N bckd ) 136 Xe Scintillator ,  136 Xe,, 48 Ca, 150 Nd, 100 Mo Scintillator ,  136 Xe,, 48 Ca, 150 Nd, 100 Mo GERDA MAJORANA CUORE LUCIFER ZnMo4 EXO KamLAND-Zen CANDLES SNO+ Borexino CdWO4 AMoRE SuperNEMO COBRA MTD EXO-gas NEXT Tracker Next generation of 2  0 experiments 35

36 36

37 The NEMO collaboration develop since 20 years a unique method to look for double beta decay : tracking + calorimeter -Identification of the electron -Full measurement of kinematic parameters (angular distribution, single energy) -Choice of the isotope -Drastic reduction of background and cross-check by different channels -Probe the background origin NEMO3 proved the feasibility of the technique for large mass The SuperNEMO demonstrator will prove the ability to measure 100 kg Avantages of Tracko-calo technique 37

38 Se82 Nd150 Demonstrator 82 Se (7kg) T 1/2 < 0.2 – 0.4 eV No background expected for 7 kg of 82 Se and 2 years of data taking  AA M. t N Bckg.  E (y)  AA M. t (y) WITH BackgroundNO Background 38

39 39 solaires Going to 3 transition probability in matter

40 40 deltaCP: future LBL LBNO, LBNE and HyperK

41 41 US : LBNE Liquid Argon TPC 25 kton at DUSEL (Homestake Mine) ~2400mwe Beam from Fermilab (0.7-2.5MW) baseline=1300 km ~3 GeV Recently “downscoped” by DOE Japan : Hyper-K Water Cherenkov 560 kton near Kamioka, 1750 mwe Beam from JPARC (1.66MW) baseline=,295 km ~0.8 GeV Letter of Intent ArXiv 1109.3262

42 42  Supernova Neutrinos ★ standard and non standard non-linear flavour evolution ( -  self-refractive effects in dense neutrino systems) ★ phenomenology (and astrophysics/particle physics diagnostics) at current or future giant detectors (“LAGUNA forecasts type”)  Cosmology ★  family counting and mass “weighting” in cosmology (plus some other non-standard effects); interplay with Lab measurements. ★ Involved in PLANCK & EUCLID, some expertise in public tools (CLASS, PARTHENOPE)