Statut de l’expérience KamLAND Tohoku University

Plan Présentation de l’expérience Oscillation des antineutrinos réacteurs Première détection des géoneutrinos Neutrinos solaires 7 Be Résumé

KamLAND Le site Tester LMA Ancienne cavité de Kamiokande dans la mine de Mozumi

A Mozumi on trouve ~ 100 habitants un panneau SK des physiciens quelques singes ours ? de la neige en hiver UN SEUL magasin

Le complexe sous-terrain >1 km ~ 2700 mew Mine Mozumi sous Mt Ikenoyama Système de purification Electronique lecture Détecteur Générateur air frais DAQ PMs HV

Le détecteur 13 m 18 m 1000 tonnes de liquide scintillateur 80% dodecane + 20% pseudocumene + PPO Huile minérale  = 0.3 % pour garantir la stabilité du ballon Ecran contre les radiations externes 1879 PMs ( ’’ ’’) Couverture : 34% Détecteur externe Cerenkov 3.2 ktonnes eau PMs → veto µ Purification du LS : 238 U : ~ 3.5 x g/g 232 Th : ~ 3.2 x g/g Seuil de déclenchement ~ 0.7 MeV

Un événement

Un muon

68 Ge : MeV (  +  ) 65 Zn : MeV (  ) 60 Co : MeV (  +  ) AmBe : 2.20, 4.40, 7.6 MeV (  )  n 12 B  Calibration E, T Mesure  de capture n Efficacités des coupures Transport de la lumière Sources radioactives, laser, Contaminants radioactifs, µ cosmiques, produits de spallation Calibration

Produits de spallation n, 12 B 12 B (60 / kton-day)  =29.1ms, Q=13.4MeV 2<  T<60 msec neutrons (3000 / kton-day)  ~210µs Calibration + volume utile

Calibration en énergie Résolution en énergie : 6.2% /√E [MeV] Correction de la charge des PMs (variation du gain, angle solide) Correction de la non linéarité (Tcherenkov, Birks quenching)

Calibrations des positions le long de Z Corrections temps calibrées par runs laser  position ~ 20 cm

Volume utile Erreur systématique totale du volume utile : 4.7 % n fid /n total (5.5 m) = ± (stat) ± (syst) Distribution uniforme des produits spalation 5.5 m 5 m 12 B

Bruit de fond Bruit de fond non corrélé est supprimé par la détection en coincidence prompt-retardé 40 K = 1.2x g/g

Principe de détection des antineutrinos Signal prompt Ionisation du positron + annihilation E prompt = E – 0.8 MeV Signal retardé Capture du neutron sur proton (~ 200 µs + tard) E retardé = 2.2 MeV Coïncidence en temps et espace Désintégration  inverse e + p  e + + n E (MeV) Spectre attendu (sans oscillation) Spectre e réacteurs Section efficace

Information réacteurs Companies électriques → puissance thermique et composition du carburant nucléaire 80 % des e attendus émis entre km

Sélection des événements réacteurs Coïncidence temporelle : 0.5 μs < ΔT < 1000 μs Coïncidence spatiale : ΔR < 2 m Volume fiduciel : R prompt, retardé < 5.5 m Energie capture neutron : |E retardé - 2.2MeV| < 0.4 MeV Energie positron : 2.6 MeV < E prompt < 8.5 MeV Efficacité : 89.8 ± 1.5 % Géo-neutrinos veto Mar. 9, 2002 – Jan. 11, jours de données

Veto muons Veto 2 ms veto sur tout le détecteur après tous les muons (élimine efficacement n spalation) 2 sec veto sur tout le détecteur pour muons avec gerbe e.m (  E = E détectée – E attendue (L µ ) > 3 GeV) 2 sec veto sur tout le détecteur pour les muons mal reconstruits 2 sec veto pour le volume situé à 3m de la trace pour les autres muons Temps mort = 9.7% Temps mort = 9.7% Taux de muons ~ 0.34 Hz BF spalation corrélé  (n) = 220 µs  ( 8 He) = ms  ( 9 Li) = ms µ OD ID

Erreurs systématiques Systematic% Volume utile4.7 Seuil E2.3 Efficacités coupures1.6 Temps vie0.06 P thermique réacteurs2.1 Composition carburant1.0 Spectre antineutrinos2.5 Section efficace0.2 Total6.5 Erreur dominante Système Calibration 4  (en cours de test) 4.7 → 1-1.5% Erreur syst. total ~ 4.6 %

Bruit de fond résiduel Accidentels : 2.69 ± 0.02 Produits de spallation émetteurs neutron 8 He, 9 Li : 4.8 ± 0.9 n rapides < C( ,n) 16 O : 10.3 ± %  produits par 210 Po 210 Pb  210 Bi  210 Po 206 Pb E (MeV)  Total BF : 17.8 ± 7.3  (5.3 MeV) Spectre 13 C( ,n) 16 O 13 C( ,n) 16 O : > 99% ( ,n) (Section efficace Sekharan et al) Réacteurs Géo-

90% C.L Variation significative du flux Signal consistant avec antineutrinos réacteurs Résultats Disparition confirmée à % CL 258 – 17.8 ± ± 24 = ± (stat) ± (syst) N obs – N BG N exp = PRL 94, (2005) Fit linéaire N BF fixé   

Distorsion spectrale à 99.6 % CL Analyse du spectre  m 2 = 7.9 x eV 2 tan 2  = 0.46

Analyse combinée KamLAND + solar KamLAND + solaires  m 2 = 7.9 x eV 2 tan 2  = Mesure de haute précision :

Futurs résultats réacteurs Statistique x 5 Améliorer  12

Voyage au centre de la Terre La dynamique terrestre (tremblements de terre, tectonique des plaques, génération du champ magnétique) est causée par la génération de chaleur et les processus de redistribution Chaleur émise par la Terre : 44 ± 1 TW (24774 observations) 31 ± 1 TW (ré-évaluation correction croûte océanique) La séismologie a révélée la structure interne de la Terre La terre (6378 km) est très mal connue en profondeur : homme < 4 km, forage < 20 km, échantillon < 200 km Etude des météorites primitives (chondrites carbonacées CI) : estimation de la composition chimique globale -> 19 TW radiogénique

Inverse  -decay threshold KamLAND est le premier détecteur suffisamment sensible pour détecter les geo- de 238 U et 232 Th Les geo-neutrinos Les neutrinos émis par les éléments radioactifs U/Th/K sont une opportunité unique pour apporter des informations sur 1.la composition chimique interne : quantité absolue et distribution dans le cœur, manteau, croûte -> mécanismes de formation de la Terre et autres planètes 2.les mécanismes de génération de chaleur dans la Terre et son évolution chaleur radiogénique ~ 19 TW

Modèle de référence Un modèle de référence a été élaboré à partir de modèle BSE :  16 TW U,Th  U,Th absents dans le cœur  manteau uniforme modèles de composition de la croûte (Rudnic & Fountain), données sur l’épaisseur de la croute et des sédiments (CRUST 2.0) étude de la géologie locale : erreur < 10% CRUST 2.0 Japan Etude de la géologie locale

Modèle de référence Oscillation dans le vide: facteur de réduction ~ familles < 5% erreur matière < 1% erreur

Charte indépendante du modèle UTh Faites votre propre soupe terrestre

Sélection des événements Efficacité = x10 31 protons-cible an Le principe de détection est le même que pour les antineutrinos réacteurs avec une fenêtre en énergie différente et des coupures plus sérées

Résultats geoneutrinos BF : 127 ± 13 réacteur e : 80.4 ± C( ,n) 16 O : 42 ± 11 accidentels : 2.38 ± 0.01 produits fission réacteur à longue durée de vie : 1.9 ± 0.2 Simulation 16 TW Attendu sans geo- Geoneutrinos : U : 20 Th : 5 Nature 436, (2005)

Fit du spectre (unbinned likelihood) Th/U fixé D’après les données cosmochimiques Th/U = 3.9 ± 0.2 (U+Th) = 4.5 – 54.2 à 90% CL Puissance radiogénique < 60 TW à 99% CL Résultats geoneutrinos

Futur des geoneutrinos Purification du LS HawaiiLAND  Amélioration de la détection -> 99% CL  BF réacteurs domine toujours largement  Pas de réacteur nucléaire  Accès au manteau et au cœur

Résultats futurs pour KamLAND  Réacteurs Résolution  m2 provient de la distorsion du spectre → plus de statistique (déjà 1.89 fois plus de données) Shika2 démarre en 2006 à 88 km, près du premier minimum d’oscillation, plus grande suppression du taux d’événements pour ces neutrinos  Géoneutrinos : purification du LS -> suppression du BF ( ,n), accidentels  Autre physique Détection de la prochaine supernova Neutrinos solaires

91% 0.008% 7% 0.2% Phase solaire Neutrino solaire 7 Be: Aucune mesure en temps réel Incertitude expérimentale 40%  KamLAND: 5-10% précision flux  Améliorer SSM (erreur pp : 2% -> 0.5 %)  Peu d’impact sur les paramètres d’oscillation ES : e + e - → e + e - Purification intense du BF de basse E Détection

Réduction du BF Réduction souhaitée 85 Kr : Pb : Importante R&D en purification : distillation, tour de purge, chauffage, absorbants Résultats très encourageants obtenus avec un appareillage de test pour la distillation : Kr -> 10 -6, Pb -> Propriétés optiques identiques ( att, émission lumineuse) Construction du système final de purification Oct > Juillet 2006

 LS : 2 m3 / h  Distillation pour éliminer 210 Pb + 40 K, 39 Ar, 85 Kr, 222 Rn 3 tours (PC, Dod, PPO) -> recombinaison  N2 purge pour éliminer gaz nobles ( 85 Kr, 39 Ar, 222 Rn) : 40 m3 / h  Prévention contre émanations externes ( 222 Rn) Système de ventilation : 3000 Bq/m3 (été) → 40 Bq/m3 Protection étanche des valves → réduction 1/200 Système final de purification

Résultats attendus 7 Be 210 Pb : Ar, 85 Kr : Facteurs réduction Précision flux 7 Be : ~ 5 % 14,11,10 C : sources BF dominantes pour pp, pep, CNO

Mesure 7 Be à 5 % J. N. Bahcall, C. P. Garay (2003) Pas d’amélioration Mesure pp (ou pep) Amélioration significative  Paramètres d’oscillation

Résultats attendus CNO, pep 11 C CNO pep 7 Be 3 ans données Réduction des 11 C par étiquetage = coïncidence triple 12 C + X -> 11 C + n + Y + … (95% 11 C) (1) muon (2) n capture (3) désintégration 11 C  = 29.4 min Résultats préliminaires

Conclusions Les résultats de KamLAND montrent une disparition des antineutrinos à % CL et une distorsion spectrale à 99.6% CL Nous sommes entrés depuis peu dans une ère de mesure de précision des paramètres d’oscillation : une valeur unique KamLAND a réalisé la première observation de geoneutrinos, ouvrant un nouveau champ de recherche en physique du neutrino KamLAND est en chemin pour la détection des neutrinos solaires

Non linéarité de l’énergie Données de calibration + MC

Plot L 0 /E Les oscillation dépendent de L/E KamLAND ne mesure pas L, mais la distribution du flux a un fort pic Une valeur typique L 0 =180 km est utilisée C’est vraiment un plot en 1/E Goodness of fit: 0.7%- decay 1.8%- decoherence 11.1%- oscillation (0.4%- constant suppression) Données préfèrent l’oscillation à tout autre scenario Data vs. No-oscillation expectation

238 U (T 1/2 = 4.47∙109y) → 206 Pb He + 6e MeV (100%) 232 Th (T 1/2 = 14∙109y) → 208 Pb He + 4e MeV (100%) 40 K (T 1/2 = 1.28∙109y) → 40 Ca + e MeV (89.28%) 40 K + e → 40Ar + ν e MeV (10.72%) Bilan radiogénique

T 1/2 ( 144 Ce) = 285 jours T 1/2 ( 106 Ru) = 374 jours T 1/2 ( 90 Sr) = 28.8 ans Produits réacteur longue durée de vie

Appareil de test pour la distillation Haute Température = danger → basse pression 1) PC : T = 144° à 200 hPa 2) Dod : T = 164° à 200 hPa 3) PPO dans une autre tour (T = 240° à 50 hPa) 1)Pseudocumene 2)Dodecane 3) PPO 1.8 l / h

Efficacité de la distillation Tests préliminaires 2.3× Pb 2.5 x (dilué) 222 Rn Nat Kr Fenêtre de détection 2.1 x 10 -5

Propriété du SL après distillation SL (PC + Dod + PPO) après distillation individuelle présente les même propriétés qu’avant distillation  Longueur d’atténuation L (m)  Quantité de lumière (charge ADC Q - source 137 Cs) SLL(365 nm)L(436 nm) Origine1.4 ± ± 0.4 Distillé1.0 ± ± 0.4 SLQ[ch] Origine1392 ± 4 Distillé1401 ± 7

Système final de purification

Désintégration de neutron hep-ex/ Recherche de violation du nombre baryonique PDG liste + de 70 modes de désintégration de nucléon Limites experimentales ~ ans à part pour les modes dits invisibles n -> ’s ou nn -> ’s KamLAND : étude de la disparition de n dans la couche s du 12 C Triple signature expérimentale ! (BR de Kamyshkov et Kolbe) (n1) 11 C(n) -> 10 C gs (  +, 19.3s, 3.65 MeV) (n2) 11 C(n,g) -> 10 C gs (  +,19.3s, 3.65 MeV)  (n -> inv) > 5.8 x ans à 90% CL (facteur 3 par rapport à SNO) (nn1) 10 C(n) -> 9 C(  +, s, 16.5 MeV) (nn2) 10 C(n,p) -> 8 B(  + , 0.77 s, 18 MeV)  (n -> inv) > 1.4 x ans à 90% CL (facteur 10 4 par rapport à Borexino)