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Oscillations des Neutrinos Un voyage au pays des mystères

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Présentation au sujet: "Oscillations des Neutrinos Un voyage au pays des mystères"— Transcription de la présentation:

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

2 Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais)
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 Les oscillations du neutrino ou l’étude des anomalies Formalisme Synergies avec l’astrophysique Le CPPM et les neutrinos : une kyrielle d’expériences L’état de l’art dans le domaine expérimental Le guide Michelin de la road map Conclusions 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais)

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

4 La physique nucléaire des années 20
Energie disponible = Dmnoyaux c2 a) Le spectre continu 1914: 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 b) La structure du noyau : composé de proton et d’électrons  violation du théorème ‘Spin statistics’ pour 14N 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais)

5 Le postulat de Pauli et ses conséquences
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 ‘ désintégration b- : n  p + e- + n - 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’ Cette recommendation n’a pas été suivie !  invisible axion 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais)

6 Le modèle des interactions faibles
Fermi 1934 Le modèle des interactions faibles e- n Courant Neutre W+ m- nm d u Courant Chargé W+ e- ne s  (GFme)2  cm2 1barn = cm2 λ=1/σρ = 1019 m = 100 milliards de rayons de Terre !!!!!! 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais)

7 Observation des 3 familles de neutrinos
1956, F. Reines 1018 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 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 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 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 ? 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais)

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

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

13 Les oscillations des neutrinos ou l’étude des anomalies
jaune orange 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 Dm2 en eV2 , L en km, En en GeV ) ( 1 E L 27 . sin 2 * m e n q - = ú û ù ê ë é D P Disparition: Apparition: 0,5 L/E 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais)

14 L’anomalie (deficit) des neutrinos solaires
Détection directe Kamiokande (Cerenkov H2O) ‘photo’ du soleil avec des neutrinos /sec/cm² 1965, R. Davis observation des  solaires Deficit ? Méthode radio-chimique: Cl  Ar ( Homestake ) Ga  Ge ( Gallex & SAGE ) 1992: Gallex & SAGE & KamII Deficit des  solaires confirmé 2001: SNO (Cerenkov D2O) Flux des solaire validé mesure des courants neutres prédiction 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais)

15 L’anomalies des neutrinos atmosphériques
Étudiés dans Kamiokande comme source de bruit de fond pour la désintégration du proton Symétrie ‘up/down’ Rproduction = N(νμ) / N(νe) ~2 Rmesuré / Rproduction  0.6 1988, M. Koshiba Atmospheric neutrinos anomaly 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 νe intense : ν / Gwth / sec pure : désintégration β dans les fragments de fission basse énergie : L/Eν favorable aux petits Δm2 Réaction de capture: désintégration β inverse Spectre d’énergie des neutrinos σ Flux produit Flux détecté Bruit de fond: fortuites neutrons rapides (spallation) 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: ‘Indication for neutrino oscillation from a high statistics experiment at the Bugey reactor’ Cavaignac et al, Phys. Let. B 148 (1984) R18.3/13.6 = .014stat .028syst 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 Bugey 1 Bugey 2 Spectre d’énergie du bruit de fond R18.3/13.6 = .021stat .021syst 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 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 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais)

20 Une contribution inégalée à l’étude des erreurs sytématiques
Et essentielle pour la définition des futurs programmes auprès des réacteurs: CHOOZ … ‘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 RRovno = .028stat .027syst RBugey = .014stat .027syst Mesures effectuées avec le même détecteur auprès de 2 réacteurs différents  Validation: modélisation du flux de neutrino section efficace V-A 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) 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) 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais)

23 Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais)
L’expérience de CHOOZ Le volume fiduciel = capture neutron sur Gd ( Concept utilisé dans toutes les expériences de nouvelle génération ) evts / m3 /jour distance fond signal S/B Bugey I m Bugey II m Bugey III m CHOOZ m ‘Limits on neutrino oscillations from the CHOOZ experiment’ CHOOZ collaboration Phys. Lett. B 466 (1999) cited 1312 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 nm ® nt oscillations CHOOZ (reactor experiment) no νe®nxoscillations  Q13<11° SuperK 1998 CHOOZ 1997 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais)

25 Neutrino Oscillation : 3 neutrinos formalism
θsol θ13, δ θatm 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais)

26 Is the CNGS program still valid ?
Despite compelling evidences of neutrinos oscillation at all available sources: Sun, atmosphere, LBL reactors & accelerators 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 nm by Super-K Parameter space allowed by Super-K and excluded by CHOOZ and Palo Verde 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) 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais)

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

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

29 Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais)
OPERA bricks 1 ECC= 56 Pb + 57 emulsions 8.3 Kg The brick is the target basic component: Emulsion Cloud Chamber (ECC) Compact and modular structure 10 X0’s Pb Emulsion layers n t 1 mm 12.5cm 10.2cm  Interaction From NUMI exposure Electron track 2 emulsion layers (44 m thick) poured on a 200 m plastic base  m² Emulsion : Measuring a vector in space (δx=1 μm δθ=1 mrad) 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais)

30 Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais)
The OPERA Detector SM1 SM2 0.68 kton 0.68 kton Veto plane (RPC) 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 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 m2) 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais)

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

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

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

34 OPERA ντ Obervation Probability vs Δm2
5 years data taking nominal beam intensity  pot/year 1.35 ktons target mass OPERA ντ Obervation Probability vs Δm2 SK 90% CL (L/E analysis) Discovery probability % Last MINOS measurement 3 σ sensitivity 4 σ sensitivity 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais)

35 CNGS  MINOS, T2K complementarity
cos sin sin [ (1–A ) D ] sin ( A D ) sin2 [ (1–A ) D ] 2 13 23 + D - @ O(a 2) d x q a n m CP e P E G F ) 1 ( 12 O 21 ~ L 4 n ou n effets de matière : e appearance with matter effect Another gift of nature ! 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais)

36 Futur 2010 – 2020 : 13 , CP violation and mass hierarchy
Things change at sin2213~0.01 the priority is to set the scale of the effect  T2K sin2213 > 0.01 Conventional super beam works Known beam technology Background highly nontrivial e beam contamination not negligible but tolerable Upgraded sensitivity with scenarios at the second maximum (T2KK) or high energy beam (Nova) sin2213 < 0.01 beta beam / neutrino factory required ( assuming the results published online ) 25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais)

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


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