MegaTonne Durée de vie du proton neutrinos de supernovae CERN Fréjus CPV neutrinos C. Cavata Saclay.

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1 MegaTonne Durée de vie du proton neutrinos de supernovae CERN Fréjus CPV neutrinos C. Cavata Saclay

2 Les projets Tera-grammes HYPER-K UNO MenPhys

3 Collaboration internationale autour de SuperK HYPER-K UNO MenPhys Cerenkov à eau d’une megatonne

4 HyperK 48m × 50m ×500m, Masse Totale = 1,2 Mton

5 Options pour HyperK # modules Volume total Volume fiduciel Densité PMT #PMT 1 8 1Mton0.57Mton 1PMT/m 2 100k 2 8 1Mton0.57Mton 2PMT/m 2 200k 3 16 2Mton1.15Mton 1PMT/m 2 200k 4 16 2Mton1.15Mton 2PMT/m 2 400k Densité de PM à optimiser pour  tagging pour p  K + search, rejection  0 en e   Volume à maximiser versus site, stabilité de la caverne Cout et durée excavation Cout et durée de production des photo-senseurs

6 UNO 52k PMT [10%,40%,10%] E > [10,5,10] MeV 60m x 60m x 180m 0.648 MT http://superk.physics.sunysb.edu/nngroup/uno/

7 MenPhys Grand LSM 70 x 70 x 250 10 6 m 3 Masse Totale 1 Mton Tunnel existant Future Galerie de sécurité LSM Soutien INFN IN2P3 DAPNIA

8 GLSM 13 km

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10 Une tradition en France ? DVP 1982-1987

11 Limites de SuperK τ/B(p → e + π 0 ) > 5.0 × 10 33 years (90% CL) τ/B(p → ν K + ) > 1.9 × 10 33 years (90% CL) Prédictions théoriques interactions à 4 fermions interactions à 2 fermions – 2 sfermions (SUSY) ｇ ４ ｍ ｐ ４ Γ = : τ(p→e + π 0 ) = 10 35±1 years Ｍ Ｘ ４ h ４ ｍ ｐ ４ ____ Γ = : τ(p→K + ν) = 10 29-35 years M Hx 2 Ｍ Ｘ 2 Temps de vie du proton Il faut atteindre les 10 35 ans ! _

12 Temps de vie du proton  (p  e  0 ) >10 35 ans (90%CL) en 6Mt.yr BG SK =2.2ev/Mty UNO-II  (p  e  0 ) =10 35 ans

13 Temps de vie du proton BG=1ev/Mty  (p  e  0 ) >10 35 ans (90%CL) en 6Mt.yr  (p  K + ) >2 10 34 ans (90%CL) en 6Mt.yr

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15 Fréjus Explosion de SN @ la maison Fréjus Explosion au centre de la Galaxie @ 10kpc (9 k @ SK) 3±1 SN/siècle …

16 Explosion de SN en banlieue La SN1987A 19evts/4kt 2k evts/ 400kt Trou Noir

17 Explosion de SN @ Andromède 900 kpc

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19 Oscillation des neutrinos 3 masses : m 1, m 2, m 3 3 angles de mélanges :  12,  23,  13, 1 Phase Dirac CP :  Dirac or Majorana ? 2 Phases Majorana CP :  1,  2 Saveur e   e  Masse 1   m1m1m1m1 m2m2m2m2 m3m3m3m3

20 Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata

21 Ce qu’il reste à mesurer  m 2 12  Solar+KamLAND 6.10 -5 <  m 2 12 (eV 2 )<2.10 -4  KamLAND (5 ans)  m 2 23 (eV 2 ) = 0.4 10 -5  m 2 23  SK+K2K 1.3 10 -3 <  m 2 23 (eV 2 ) < 3 10 -3  MINOS+OPERA  m 2 23 (eV 2 ) = 10 -4  12  Solar+KamLAND 0.2<sin 2  12 <0.5  23  SK 0.9<sin 2 2  23 <1  13  sin 2 2  13 <0.1 (CHOOZ)  CP  Mass Hierarchy  Majorana/Dirac   m    m < 6.6 eV (Mainz)

22 Violation de CP en neutrinos P sol ={cos 2  13 (1-(1+sin 2  13 )sin 2  23 }sin 2 2  12 sin 2  12 P atm =sin 2  23 sin 2 2  13 [sin 2  12 sin 2  23 +cos 2  12 sin 2  13 ] P(   → e )=P atm + P sol + P CPC + P CVP P CPC = J cos  sin  12 sin  13 cos  23 P CPV = J sin  sin  12 sin  13 sin  23 J = cos  13 sin2  12 sin2  13 sin2  23 Contraindre  13 d’abord !

23 Violation de CP en neutrinos Quesaco ? Faisceau conventionnel (K2K, CNGS,MINOS) Driver proton P <.4 MW Cornes  = 2 o Cible Decay Pipe ,K Faisceau protons A CP << 1 (sin  ) beaucoup d’événements Hyper-Faisceau Super faisceau : conventionnel, avec P ~ 1 MW (JHF Phase I) Hyper faisceau : P ~ 4 MW (SPL, JHF-II, OffAxis NUMI, BNL … )

24 4MW,1Mt 2.0yr en  6.8yr en  Limites à 3   >~27 o  >~14 o HyperK

25 A plus long terme  beam 100 GeV SPS e e _    e + e   _ e  _ CC  - Oscillation e   CC  + : WSM L’usine de neutrinos

26 Région à 99% CL pour voir une violation de CP maximale

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28 R&D Photo-senseurs @ Japon M. Shiozawa (ICRR, Univ. of Tokyo) 1.PM Augmenter QE optimiser matériaux de la cathode, optimiser la méthode de production PM + grands (30-40inch) PMTs 2.photo-détecteurs hybrides (HPD) photo-cathode + AD(diode à avalanche ) structure simple  faible coût ? résolution en temps ( ～ 1ns) séparation du « single p.e. »

29 5 inch HPD prototype 5inch sensitive area 80mmφ e APD 3mmφ, GND bias voltage 150V photo-cathode – 8kV 100% coll. efficiency cathode 80mmφ 3mm cathode 120mmφ 10mm need higher voltage larger AD spherical cathode electron bombarded gain 1000 ×avalanche gain 50 = 50,000

30 5 inch HPD prototype pulse height distribution (dark current) good single p.e. peak dark rate is 24kHz

31 measured quantum efficiency time response 5 inch HPD prototype

32 Spherical HPD glass photocathode reflector diode-1 diode-2 light photoelectrons Lead and support high efficiency simple structure  low cost  high production rate pressure resistant

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34 Perlite insulation  ≈70 m h =20 m Electronic crates 100kT LAr TPC André Rubbia, ETH Zürich (ICARUS Collaboration)

35 The “dedicated” cryogenic complex External complex Heat exchanger Joule-Thompson expansion valve W Q Argon purification Air Hot GAr Electricity Underground complex GAr LAr LN 2, …

36 ≈300‘000 kg LAr = T300 ICARUS T300 cryostat (1 out of 2)

37 Run 960, Event 4 Collection Left 25 cm 85 cm ICARUS T600: cosmic rays on surface 176 cm 434 cm Run 308, Event 160 Collection Left 265 cm 142 cm Muon decay Shower Hadronic interaction

38 Cryogenic storage tanks for LNG

39 Proton decay: Sensitivity vs exposure pe+0pe+0 p  K + 10 34 10 35 1 year exposure ! 65 cm p  K + e p=425 MeV Prix actuel 20M€/kt

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41 « 0ptimal » schedule for MenPHys Safety Tunnel Large Cavity R&D PMT’s, etc. PMT’s production 2003 2004 2007 2008 2012 2015 2020 Detector installation Start Megaton Physics Hyper-faisceau @ CERN Procedure : Beta-beam realization excavation R&D PMT’s, etc PMT ’s production Detector install. Start Megaton Physics …………………. SPL+Super-beam realization EoI Year ? Beta-beam realization? study Pre-study LoI Prop. Approv. Adapté de Luigi Mosca

42 Estimation des coûts (NUFACT02)

43 L'enjeu est de taille pour la communauté scientifique et la région marseillaise. Sur trente ans, près de 10 milliards d'euros seront dépensés pour concevoir et faire tourner à Cadarache une installation capable de mettre l'énergie des étoiles dans une bouteille et développer une source d'énergie quasi inépuisable. Quant au président de la région Provence-Alpes-Côte d'Azur, Michel Vauzelle (PS), dont l'institution est prête à apporter 152 millions d'euros par an au projet pendant dix ans, il estime que c'est d'abord "la qualité du tissu scientifique régional" qui a permis ce choix. Les collectivités locales se sont fortement investies : 46 millions d'euros par an durant une décennie pour la réalisation de toutes les infrastructures nécessaires au réacteur. Soyons optimistes !!

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45 Assuming null oscillation SK atmospheric latest results 68% C.L. 90% C.L. 99% C.L. FC + PC + up-going   combined Preliminary! 1489 days Best fit Assuming    oscillation  2 min = 170.8/170 d.o.f. at (sin 2 2   m 2 ) = (1.0,2.0 x 10 -3 eV 2 ) 90% confidence level allowed region sin 2 2  > 0.9 1.3x10 -3 <  m 2 <3.0x10 -3 (eV 2 )  2 = 445.2/172 d.o.f. Hayato-san, AAchen 2003

46 ４０ｍ ４１．４ｍ 50 kt Cerenkov eau (22.5 kton volume fiduciel) 11146 (50cm) + 1885 (20cm) PM Mesure de E  (Oscillation) Discrimination  /e (apparition)  0 rejection (apparition) SK : Principe de détection

47 Europe: SPL  Frejus Geneve Italy 130km 40kt  400kt CERN SPL @ CERN 2.2GeV, 50Hz, 2.3x10 14 p /pulse  4MW Now under R&D phase

48 ½ sin 2 2   ~JHF2-HK 1yr Sensitivity for Mixing Angle 2.3 o 1.7 o 1o1o

49 Le JHF JHF-1NuMIK2K E(GeV)5012012 Int(10 12 ppp)330406 Rate(Hz)0.2750.530.45 P(MW)0.750.410.0052 Target Station Primary Proton beamline (R=106m) Beam Axis SK 280m Near Detector50GeV PS Single turn fast extraction 8 bunches/~5  s 10 -6 Duty cycle 1an=10 21 POT Decay Volume

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51 Estimation des coûts SK  UNO

52 Study of the Cavity Preliminary Study 3 months (this year) 90 k€ 30 k€ (IN2P3 + CEA) 30 k€(Regione Piemonte) 30 k€(Région Rhône-Alpes) Design Study (European Network) Large Underground International Laboratory