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

Les projets Tera-grammes HYPER-K UNO MenPhys

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

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

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 Mton1.15Mton 1PMT/m 2 200k Mton1.15Mton 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

UNO 52k PMT [10%,40%,10%] E > [10,5,10] MeV 60m x 60m x 180m MT

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

GLSM 13 km

Une tradition en France ? DVP

Limites de SuperK τ/B(p → e + π 0 ) > 5.0 × years (90% CL) τ/B(p → ν K + ) > 1.9 × 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) = years M Hx 2 Ｍ Ｘ 2 Temps de vie du proton Il faut atteindre les ans ! _

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

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

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

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

Explosion de Andromède 900 kpc

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

Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata

Ce qu’il reste à mesurer  m 2 12  Solar+KamLAND <  m 2 12 (eV 2 )<  KamLAND (5 ans)  m 2 23 (eV 2 ) =  m 2 23  SK+K2K <  m 2 23 (eV 2 ) <  MINOS+OPERA  m 2 23 (eV 2 ) =  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)

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 !

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 … )

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

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

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

R&D 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. »

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

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

measured quantum efficiency time response 5 inch HPD prototype

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

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

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, …

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

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

Cryogenic storage tanks for LNG

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

« 0ptimal » schedule for MenPHys Safety Tunnel Large Cavity R&D PMT’s, etc. PMT’s production Detector installation Start Megaton Physics 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

Estimation des coûts (NUFACT02)

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 !!

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 eV 2 ) 90% confidence level allowed region sin 2 2  > x10 -3 <  m 2 <3.0x10 -3 (eV 2 )  2 = 445.2/172 d.o.f. Hayato-san, AAchen 2003

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

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

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

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

Estimation des coûts SK  UNO

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