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25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 1 Oscillations des Neutrinos Un voyage au pays des mystères.

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1 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 1 Oscillations des Neutrinos Un voyage au pays des mystères

2 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 2 1.Quelques rappels Le neutrino : un lepton pas comme les autres Les conséquences du postulat de Pauli Les 3 familles de neutrinos La quête du neutrino massif 2.Les oscillations du neutrino ou l’étude des anomalies Formalisme Synergies avec l’astrophysique 3.Le C PP M et les neutrinos : une kyrielle d’expériences 4.L’état de l’art dans le domaine expérimental 5.Le guide Michelin de la road map 6.Conclusions

3 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 3 Le neutrino un lepton pas comme les autres ? unification des forces Interactions: electro-magnétique faible forte gravitationnelle

4 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 4 Energie disponible =  m noyaux c : Chadwick observe le spectre d’énergie continu pour l’électron dans la désintégration β 1930: Meitner exclut la présence de photons associés par une expérience calorimétrique La physique nucléaire des années 20 a) Le spectre continu b) La structure du noyau : composé de proton et d’électrons  violation du théorème ‘Spin statistics’ pour 14 N

5 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 5 Le postulat de Pauli et ses conséquences Pauli à Walter Baade ‘ aujourd’hui j’ai fait quelque chose qu’aucun théoricien ne doit jamais * faire dans sa vie: j’ai prédit quelque chose qui ne sera jamais détecté expérimentalement’ Lettre de Pauli le 4 décembre 1930: ‘ … il peut exister dans le noyau des particules électriquement neutres que j’appellerai neutron et qui satisferait le principe d’exclusion … La masse de ce neutron est inférieure à 1% de la masse du proton ‘ Cette recommendation n’a pas été suivie !  invisible axion désintégration  - : n  p + e - + -

6 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 6 Le modèle des interactions faibles W+W+   d u W+W+ e-e- e-e- e e Z° e-e- e-e- Courant Neutre Courant Chargé  G F m e ) 2   cm 2 1barn =   cm 2 λ =1/ σρ = m = 100 milliards de rayons de Terre !!!!!! Fermi 1934

7 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 7 Observation des 3 familles de neutrinos 1956, F. Reines fissions/sec  6 ν / fission Signal : 3 evts /h S/B ~ 2/1 e 1962, Lederman, Schwarz, Steinberger  2001, K. Niwa DONUT experiment 1995 : M. Perl Tau lepton discovery τ

8 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 8 Confirmation du modèle electro-faible 1973 : Découverte des courants neutres A. Lgarrigue au CERN avec Gargamelle 1982 : Découverte du W,Z A. Rubbia au CERN avec UA1

9 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 9 Combien de familles chez les Leptons ? Années 50 : la nucléosynthèse impose ~3 familles Super Nova 1987a: validation du modèle des Supernova Masse du e < 23 eV Nombre de famille < 3.5 ‘The neutrino emission of SN1987a’ R. Schaeffer, Y. Declais, S. Julian CEN-Saclay, CPPM, LAL 1987, Nature 300, LEP: Largeur du pic du Z0  3 familles actives (couplées au Z0) Il reste des inconnues : les neutrinos stériles les neutrinos lourds

10 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 10 Un neutrino massif pourquoi faire ? implications cosmologique  longtemps la motivation la plus importante  ~300 /cm3 en provenance du BigBang  Le neutrino comme composante principale de la masse de l’Univers? ce n’est plus d’actualité! Physique fondamentale: Nécessite l’extension du modèle standard: Super-symétrie ?

11 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 11 Guido Drexlin, Neutrino08

12 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 12 Mesure directe de la masse du neutrino m < 2.3 eV

13 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 13 Les oscillations des neutrinos ou l’étude des anomalies jaune orange 0,5 L/E Mécanisme proposé par Pontecorvo en 1957  implique des neutrinos massifs  neutrino: état propre de saveur composé d’états propre de masse  méthode interférométrique sensible aux très petites différence de masse  m 2 en eV 2, L en km, E en GeV )(1)( E L 27.1sin2 )()( *  eee  e  e          PP mLP Disparition: Apparition:

14 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 14 prédiction L’anomalie (deficit) des neutrinos solaires 1965, R. Davis observation des solaires Deficit ? 1992: Gallex & SAGE & KamII Deficit des solaires confirmé 2001: SNO (Cerenkov D 2 O) Flux des solaire validé mesure des courants neutres /sec/cm² Méthode radio-chimique: Cl  Ar ( Homestake ) Ga  Ge ( Gallex & SAGE ) ‘photo’ du soleil avec des neutrinos Détection directe Kamiokande (Cerenkov H 2 O)

15 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 15 L’anomalies des neutrinos atmosphériques 1988, M. Koshiba Atmospheric neutrinos anomaly  Symétrie ‘up/down’  R production = N(ν μ ) / N(ν e ) ~2  Rmesuré / Rproduction  0.6 Étudiés dans Kamiokande comme source de bruit de fond pour la désintégration du proton

16 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 16 Le CPPM et les neutrinos ~15 ans d’activité dans le cadre du programme auprès de la centrale nucléaire du Bugey Source de ν e intense : ν / Gw th / sec pure : désintégration β dans les fragments de fission basse énergie : L/E ν favorable aux petits Δm 2 Spectre d’énergie des neutrinos σ Flux produit Flux détecté Réaction de capture: désintégration β inverse Bruit de fond: fortuites neutrons rapides (spallation)

17 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 17 Démarrage sur ‘une anomalie’ Bugey1  nouvelle génération par rapport à l’expérience de l’ILL mesure à 2 distances avec le même détecteur structures de blindage identique ‘améliorée’ par rapport à l’ILL observation d’un effet: Bugey 1 Bugey 2 Spectre d’énergie du bruit de fond Bugey2  ‘ … étude des biais expérimentaux …’ Thèse M. Talby : pas de fond corrélé au réacteur validation de la modélisation du cœur (Burnup) réduction du fond: 1/3.8 (suppression du Pb interne) l’effet observé dans Bugey1 est lié à des variations de l’efficacité des compteurs muons ‘Indication for neutrino oscillation from a high statistics experiment at the Bugey reactor’ Cavaignac et al, Phys. Let. B 148 (1984) R 18.3/13.6 = .014 stat .028 syst R 18.3/13.6 = .021 stat .021 syst

18 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 18 Un programme d’étude des erreurs systématiques Objectifs: mesure à grande distance (40m et 95m) pour améliorer la sensibilité à la distribution en L/E statistique accrue pour étudier les systématiques: fond, flux et spectre d’énergie des neutrinos mesures simultanées à 2 distances détecteurs identiques et interchangeables Contributions du CPPM: ‘end cap’ des modules de détection DAQ en réseau  cartes pour le readout  software DAQ & Slow control simulation des spectres réacteur participation à l’analyse

19 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 19 Des résultats toujours au top … cited ‘Search for neutrino oscillations at 15,40 and 95 meters from a nuclear power reactor at Bugey’ B. Achkar et al, Nucl. Phys. B 434 (1995) cited 446 times ‘Compatibility of high-Δm² neutrino oscillation search’ The MiniBooNE collaboration arXiv: (13 May 2008) LSND+KARMEN2+MiniBooNE + Bugey ~4% ~25.4% Test de l’hypothèse des oscillations entre 2 familles

20 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 20 Une contribution inégalée à l’étude des erreurs sytématiques ‘Comparison of anti-neutrino reactor spectrum models with the Bugey3 measurements’ B. Achkar et al, Phys. Lett. B 374 (1996) ‘Study of reactor antineutrino interaction with proton at Bugey nuclear power plant Y. Déclais et al, Phys. Lett. B 338 (1994) R = flux mesuré/flux attendu R Rovno = .028 stat .027 syst R Bugey = .014 stat .027 syst Mesures effectuées avec le même détecteur auprès de 2 réacteurs différents  Validation: modélisation du flux de neutrino section efficace V-A Et essentielle pour la définition des futurs programmes auprès des réacteurs: CHOOZ …

21 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 21 Et en prime la désintégration du neutrino … Pourquoi: implique des neutrinos massifs (domaine keV – MeV) peut expliquer la ‘disparition’’ des neutrinos (solaires, … ) 1) Désintégration radiative (états propre de masse dégénérés) i  j + γ ‘New experimental limits on radiative neutrino decay’ J. Bouchez et al (y. Déclais), Phys. Lett. B 207 (1988) 2) Désintégration par paire d’électrons 3  j + e+ + e- (j=1,2) ‘Experimental search for the neutrino decay in electron pair and limits on neutrino mixing’ M. Altman et al (E. Kajfasz), Phys. Rev. D 52 (1995)

22 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 22 La ‘Road Map’ neutrino selon les théoriciens dans les années 90 J. Ellis et al. (CERN-TH ) G. Altarelli et al. (Neutrino Telescope)

23 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 23 L’expérience de CHOOZ Le volume fiduciel = capture neutron sur Gd ( Concept utilisé dans toutes les expériences de nouvelle génération ) evts / m 3 /jour distance fond signal S/B Bugey I 13.7 m 262. Bugey II 15. m Bugey III 15. m CHOOZ m ‘ Limits on neutrino oscillations from the CHOOZ experiment’ CHOOZ collaboration Phys. Lett. B 466 (1999) cited 1312

24 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 24 On-going programs are motivated by SuperK and Chooz results From Kamiokande to SuperK : Atmospheric neutrinos anomaly intepretable in terms of    oscillations CHOOZ (reactor experiment) no ν e  x oscillations  13 <11° SuperK 1998 CHOOZ 1997

25 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 25 Neutrino Oscillation : 3 neutrinos formalism θ sol θ 13, δ θ atm

26 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 26 Is the CNGS program still valid ? Parameter space allowed for solar neutrinos and by KamLAND Parameter space for atmospheric neutrinos allowed by Super-K Parameter space allowed by K2K and MINOS L/E dependence of the measured to expected fluxes ratio of atmospheric  by Super-K Parameter space allowed by Super-K and excluded by CHOOZ and Palo Verde Despite compelling evidences of neutrinos oscillation at all available sources: Sun, atmosphere, LBL reactors & accelerators No direct evidence yet of flavour APPEARANCE tagged by identification of l - emitted in CC interaction (only indirect evidence from NC measurement in SNO, and soon in MINOS)

27 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 27 CNGS beam optimized for appearance 732 Km Given the distance:  flux optimized for the maximal number of  charged current interactions L/E (43 Km/GeV) not optimal: « off peak » 17 GeV ( e + e )/  0.87%  /  2.1%  promptnegligible

28 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 28 Detection of the  appearance signal Two conflicting requirements:  Large mass  low Xsection  High granularity  signal selection  background rejection Target:1350 tons, 5 years running ~ neutrino interactions ~150  interactions ~15  identified ~1 event of background Topology selection:  Kink signature The challenge is to identify  interactions from  interactions   -- Decay “kink”  -- ~1 mm  oscillation --

29 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) Kg Pb Emulsion layers  1 mm The brick is the target basic component: Emulsion Cloud Chamber (ECC) Compact and modular structure OPERA bricks 1 ECC= 56 Pb + 57 emulsions 2 emulsion layers (44  m thick) poured on a 200  m plastic base  m²  12.5cm 10.2cm 10 X0’s  Interaction From NUMI exposure Electron track Emulsion : Measuring a vector in space (δx=1 μm δθ=1 mrad)

30 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 30 The OPERA Detector Target and Target Tracker (6x7m) 2 ● Target : bricks, 29 walls ● Target tracker : 31 XY doublets of 256 scintillator strips + WLS fibres + multi- anodes PMT for Brick selection Calorimetry Veto plane (RPC) High precision tracker Instrumented dipole magnet ● 6 4-fold layers of ● 1.53 T drift tubes ● 22 XY planes of RPC in both arms Muon spectrometer (8×10 m 2 ) SM1 SM kton

31 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 31 Les étapes de l’analyse ‘brick finding’ à partir des détecteurs électroniques Scanning des 2 ‘Changeable sheet’ Dans la zone prédite brique CSd Vertex finding: scanning de la brique en suivant les traces trouvées dans les CSd

32 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 32 Trace courte du ‘Charme’ ( une seule feuille d’émulsion  2 micro traces) Désintégration d’un meson Charmé : même topologie que le Tau Prompt 

33 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 33

34 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 34 OPERA ν τ Obervation Probability vs Δm 2 5 years data taking nominal beam intensity  pot/year 1.35 ktons target mass SK 90% CL (L/E analysis) Discovery probability % Last MINOS measurement 3 σ sensitivity 4 σ sensitivity

35 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 35 CNGS  MINOS, T2K complementarity  1–A ) 2  1–A ) A cos sin sin [ (1–A )  sin ( A  ) sin sin 2 [ (1–A )  sin       OO     CP e P  1–A ) A sin [ (1–A )  sin ( A  )  m E nG eF  )1( 2sin2 cos O  m m   ~ E Lm   ou  effets de matière :  e appearance with matter effect Another gift of nature !

36 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 36 Futur 2010 – 2020 :  13, CP violation and mass hierarchy uConventional super   beam works uKnown beam technology uBackground highly nontrivial u e beam contamination not negligible but tolerable uUpgraded sensitivity with scenarios at the second maximum (T2KK) or high energy beam (Nova) ubeta beam / neutrino factory required Things change at sin 2 2  13 ~0.01 the priority is to set the scale of the effect  T2K ( assuming the results published online ) sin 2 2  13 > 0.01 sin 2 2  13 < 0.01

37 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 37 The messenger of the stars is revealing great and wonderful spectacles and incite everyone to look up at these … For 50 years, by recording neutrinos from the sun, the Super-Novae, cosmic rays we improved our understanding in Astrophysics and Cosmology In addition, neutrinos gave us a present by revealing their properties: this is opening a new field of research in fondamental physics for the next 50 years which will also have profound consequences in the understanding of the Universe


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