Les premiers événements neutrino d’OPERA vus dans les émulsions nucléaires Luisa Arrabito – IPNL, le 21 Mars 2008 LAPP

Plan de l’exposé : Introduction : les oscillations du neutrino L’expérience OPERA La technique du scan des émulsions nucléaires Localisation d’une interaction neutrino Les premiers événements neutrino localisés au laboratoire de Lyon -Octobre 2007 Perspectives

3 angles de mélange θ 12 θ 23 θ 13 1 phase de Dirac (+2 de Majorana) δ α 1 α 2 Différences des carrés des masses |Δm 2 21 |, |Δm 2 31 |, Sgn(Δm 2 31 ) Connus A déterminer dans les prochaines expériences d’oscillation Notre connaissance des paramètres d’oscillation Confirmation du scénario µ   par apparition du ν τ Angle atmosphérique Angle θ 13, phase CP de Dirac Angle solaire Phases CP de Majorana

µ ( e ?)  ? OPERA OPERA O scillation P roject with E mulsion-t R acking A pparatus Recherche des oscillations µ   dans le secteur des neutrinos atmosphériques par apparition de  dans un faisceau pur de µ Recherche des oscillations µ  e par apparition de e (mesure de  13 ) Objectifs :

Exigences: grande résolution spatiale :  sélection du signal  réjection du bruit de fond cible très massive (faible σ eff ) Pb  1 mm Emulsion (50 μm)    Le signal d’oscillation   - + X détection des interactions CC du neutrino τ dans la cible      (18%) e -    e  (18%) h -    n            n   (14%)  -  Chambre à brouillard d’émulsion Plomb : cible massive Emulsions : résolution < 1 µm Détection du signal d’apparition du  kink

OPERA  2 Super-modules Un Super-module : 1 spectromètre 29 murs de briques alternés avec 2 plans de scintillateurs plastiques Il y aura briques au total! Le détecteur OPERA ~20 interactions ν/jour pendant 5 ans  ~ briques à scanner!! OPERA est la plus grande expérience en Physique des Particules employant des émulsions ~ m 2 !! OPERA Super-module 1 brique : 57 émulsions et 56 plaques de plomb alternées + 2 émulsions amovibles 8.3 Kg La brique (l’unité fondamentale du détecteur)

Repérer un événement neutrino ν Localisation de la brique Extraction de la brique Développement et scan des feuilles amovibles Si l’interaction est confirmée Exposition aux rayons cosmiques et développement de la brique Expédition de la brique à une des stations de scan (Europe, Japon) Analyse complète de l’événement cosmiques

kink angle kink > 20 mrad impact parameter I.P. > 5 ÷ 20  m short decays:    µ    e long decays:    µ    e    h kink  kink I.P. Topologies de désintégration du τ Désintégrations courtes Désintégrations longues Angle du kink θ kink > 20 mrad Paramètre d’impact IP > 5-20 µm Signal (sin 2 (2θ 23 )=1) Bruit de fond  m 2  m 2 = 2.5 x eV 2  m 2  m 2 = 3.0 x eV Nombre d’événements attendus en 5 ans

La technique du scan des émulsions …le coeur d’OPERA! émulsion

44 µm 205 µm 44 µm Les émulsions d’OPERA microtrace basetrace Grain : diamètre ~0.6 µm Brouillard (ou fog) : grains aléatoirement produits pendant le développement (5-15 grains/10 3 µm 3 ) Sensibilité : 30 grains/100 µm 100 µm

Composants principaux du Système de scan Système de scan au laboratoire de Lyon Table de support isolée des vibrations du sol Table motorisée (XYZ) Encodeurs linéaires : 0.05 μm (Z) et 0.1 μm (XY) Composants optiques Caméra : senseur Cmos (1280 × 1024 pixels) 1 pixel = 0.26 µm 500 images/s Carte MATROX Odyssey 1 Go/s Système d’éclairage Résolution spatiale < 1 μm Résolution angulaire ~2 mrad Vitesse de scan ~10-15 cm 2 /heure

Optique adaptée pour le scan des émulsions nucléaires Profondeur de champ 0.8 Grossissement de quelques pixels par μm  M > 40 Epaisseur totale émulsion ( ) μm  WD > 300 μm Objectif à huile : Adaptation de l’indice de réfraction  n émulsion = n huile ~ 1.5 Nikon CFI Plan Achromat NA=0.9 WD=0.4mm M=50× Objectif à sec : Nikon LU Plan NA=0.8 WD=0.4mm M=50 × une feuille d’émulsion Requêtes pour l’objectif : 44 µm 205 µm 44 µm

Vue générale du système de scan 44  m acquisition de 16 vues tomographiques pour chaque couche (haut et bas) en–ligne … filtrage des images reconnaissance des clusters pixels  "grains" µtraces

Mesures des performances du Système de Scan

Reconstruction des basetraces Alignement et reconstruction des traces de volume Reconstruction du vertex et analyse des événements hors-ligne en-ligne µtraces Images Traitement d’images Reconstruction des µtraces Clusters Reconstruction hors-ligne

Deux variables définissent la qualité des basetraces : χ 2 N = Nombre de grains Construction d’une basetrace χ 2 <(0.17*N-2) Une feuille d’émulsion Coupure de qualité  correction du facteur de rétrécissement  association des microtraces  l’angle de la basetrace n’est pas affecté par des effets de distorsion N χ2χ2

Efficacité de scan : la capacité du système à trouver une basetrace présente dans l’émulsion Impureté de scan : la densité des traces (fausses traces) dues au bruit de fond instrumental Etude de l’efficacité de scan et de la pureté Emulsions exposées à un faisceau très intense de pions de 10 GeV/c Emulsions de référence non exposées 14 angles d’exposition yy faisceau xx Mesures à l’aide de tests sur faisceau Définitions θXθX θYθY

faisceau π 10 GeV/c basetrace? θ (rad) Principe de mesure de l’efficacité de scan Trace de volume (trace physique) efficacité de scan ε = N trouvées /N prédictions

mipfausse trace brouillard La pureté de scan Bruit de fond instrumental : traces reconstruites à partir d’alignements aléatoires de grains de brouillard Scan de la feuille non exposée et inspection visuelle des traces reconstruites par le système

Efficacité pureté et résolution angulaire Efficacité de scan Moyenne ~ 92% Pureté 1 fausse trace/cm 2 (tanθ <0.4 rad) Résolution angulaire σ ~ 1.3 mrad θ = 0 rad Δθ σ ~ 4.5 mrad θ = 0.4 rad Δθ σ ~ 1.3 – 4.5 mrad

Localisation d’une interaction neutrino dans une brique ν - -

mic1 mic2 mic3mic4 Serveur de contrôle DB CCIN2P3 L’infrastructure de calcul de la station de scan de Lyon Le grand nombre de briques à scanner dans OPERA nécessite un scan complètement automatisé Base de données de type Oracle 10g (ccin2p3) permettant : Le stockage des données de scan (microtraces, paramètres, conditions, reconstruction) Capacité de la DB générale : tera-octets Le contrôle et l’asservissement des systèmes de scan en direct avec le suivi des traces d’une feuille à l’autre

Détecteurs électroniques Stratégie pour la localisation des vertex d’interaction Scan total et reconstruction des vertex Scan de suivi et intercalibration Connexion feuilles amovibles - brique Analyse cinématique

Scan de suivi : Suivi des traces tout au long de la brique jusqu’à leur point d’arrêt (la trace n’est pas trouvée sur 4 feuilles consécutives) Scan total : Scan d’un volume autour des points d’arrêt pour confirmer l’interaction Rayons X : Connexion feuilles amovibles - brique Cosmiques : Intercalibration à l’intérieur de la brique Feuilles amovibles Rayons X Cosmiques

Les premiers événements neutrino localisés au laboratoire de Lyon - Octobre 2007

38 interactions neutrino enregistrées dans les briques Bari Berne Bologna Gran Sasso Lyon Napoli Padova Salerno Nagoya Une station unique pour la moitié des événements d’OPERA Stations de scan en EuropeStation de scan au Japon

Les événements attribués à Lyon Evénement CC

1) Muon DX = µm DSX = 4 mrad DY = -6 µmDSY = 5 mrad 2) Autre DX = -101 µmDSX = 14 mrad DY = 35.3 µmDSY = 7 mrad Connexion entre les feuilles amovibles et la brique 1) muon 2) autre 2 traces dans les feuilles amovibles : muon autre

Scan de suivi La procédure standard échoue … Impossible de retrouver les deux traces au-delà de la première feuille Problème d’intercalibration ? ? Cosmiques ?

Alignement des feuilles à l’aide des cosmiques Coïncidences entre 2 feuilles Il semble que la brique n’ait pas été exposée aux cosmiques… Aucun pic d’alignement n’est visible… 2 pics dispersés correspondant aux traces accumulées pendant le transport DX DY N

Distribution angulaire des traces d’alignement tanθ X tanθ Y Alignement des feuilles à l’aide des cosmiques Exposition horizontale (direction faisceau neutrino) Exposition verticale XY Plan de l’émulsion X Y X Y cosmiques compatible avec une exposition verticale de la brique !! cosmiques

Alignement des feuilles à l’aide des rayons X « latéraux » Le scan des larges zones tout au long de la brique nécessite plusieurs jours… Alignement à l’aide des rayons X « latéraux» Cette méthode permet un alignement moins précis mais suffisant au moins pour le suivi des traces Les briques sont exposées à des rayons X « latéraux »

En utilisant les rayons X, nous pouvons suivre le muon Résolution angulaire Résolution spatiale ~2.4 mrad ~15 µm Muon Autre Arrêt feuille 50 Alignement des feuilles à l’aide des rayons X « latéraux »

Pour la reconstruction du vertex l’alignement des rayons latéraux n’est pas suffisant +5-8 Muon Arrêt feuille 50 Scan des larges zones : 8 cm 2 × 13 feuilles Reconstruction du vertex Zoom du volume 1) 2) muon 3) 4) 5)

muon 1) 2) 4) 3) 5) Reconstruction du vertex Paramètre d’impact du muon < 5 µm I.P. Interprétation de l’événement : ν µ CC

Evénement CC

1) muon 4 traces dans les feuilles amovibles : 3 traces liées à l’événement + 1 autre trace Les traces 1, 2 et 3 retrouvées dans la première feuille de la brique DX (µm) DY(µm) DTX (mrad) DTY(mrad) 1) ) ) Connexion entre les feuilles amovibles et la brique

Volume scanné : 1 cm 2 × 16 feuilles Arrêt feuille 36 1) muon 2) 3) Arrêt feuille ) 2) 3) 1) muon 2) 4) 5) 6) Reconstruction du vertex

Trace 2 muon Reconstruction du vertex Paramètre d’impact du muon < 5 µm I.P. Interprétation de l’événement : ν µ CC

Arrêt feuille ) 2) 3) 1) muon 2) 4) 5) 6) P(GeV) 90% C.L.(GeV) 1) P = 4.3 GeV [ ] 2) P = 5.2 GeV [ ] 4) P non estimé (2 segments) 5) P = 0.4 GeV [ ] 6) P = 1.3 GeV [ ] Analyse cinématique 1) muon 22 feuilles P = 4.3 GeV [ ]  rms (mrad) ncell 2) P = 5.2 GeV [ ] 22 feuilles ncell  rms (mrad)

Muon et Trace 2 : traces de haute impulsion sortant de la brique Arrêt feuille ) 2) 3) 1) muon 2) 4) 5) 6) P(GeV) 90% C.L.(GeV) 1) P = 4.3 GeV [ ] 2) P = 5.2 GeV [ ] 4) P non estimé (2 segments) 5) P = 0.4 GeV [ ] 6) P = 1.3 GeV [ ] Analyse cinématique Trace 4 : trace très ionisante sur la base de la relation entre densité de grain et dE/dX (probablement un proton)

Interpretation de l’événement La trace verte traverse la moitié du spectromètre + 2 murs de briques muon autre Zoom autour de la brique

muon 2) Bon accord angulaire avec la trace 2 reconstruite dans la brique et associée au vertex primaire Zoom de la brique muon autre Interprétations possibles pour la trace verte : 1)Pion : la probabilité qu’un pion survive après avoir traversé 2.5 briques (~ 90 cm de Pb) et la moitié du spectromètre (60 cm de Fe) est de l’ordre du % 2) Muon : événement di-muon Interprétation de l’événement

SCENARIO : événement di-muon Ce scénario est très intéressant, car les événements « di-muon » sont caractéristiques de la production d’une particule charmée au vertex primaire d’une interaction ν µ CC ν µ CC  -- +e+h++e+h+ c h Dans notre cas le 2 « muons » sont attachés au vertex primaire : IP muon = 2.23 µm IP trace 2 = 0.72 µm Il n’y a pas de “coude” … Le « deuxième muon » serait issu de la désintégration en vol d’un pion. L’angle de désintégration étant faible, les 2 particules apparaissent comme une seule trace Interprétation de l’événement

Conclusions : L’analyse des premiers événements d’OPERA donne des résultats encourageants en prévision du démarrage à régime de croisière prévu en mai 2008 La station de scan de Lyon est opérationnelle pour le traitement des briques attribuées à la France

Au-delà d’OPERA … Hiérarchie du spectre de masse : normale ou inversée? Expériences sur accélérateur long-baseline  Effet matière Double désintégration 0νββ La nature du neutrino : Dirac ou Majorana? Double désintégration beta sans émission de neutrinos 0νββ Violation de CP dans le secteur leptonique? Super faisceaux, Faisceaux bêta, Usines à neutrinos Valeur de θ 13 ? Expériences sur réacteur Expériences sur accélérateur off-axis long-baseline Echelle absolue de la masse du neutrino Désintégration β du tritium, Double désintégration 0ν ββ, Cosmologie MERCI