Recherche de vertex dans les émulsions OPERA Sujet de thèse : Recherche de vertex dans les émulsions OPERA Etude du bruit de fond charmé dans le canal t->3h afin de mettre en évidence l’oscillation nm->nt Magali Besnier besnier@lapp.in2p3.fr Responsable de thèse : Dominique Duchesneau JJC 2006

PLAN Le neutrino : situation expérimentale Le projet OPERA Des briques au vertex Reconstruction d’impulsion dans les briques par diffusion coulombienne multiple Détection du lepton t dans le canal 3h

masseoscillation des neutrinos Matrice de mélange des états de masse: Solaire Atmosphérique Réacteur Matrice de Majorana Matrice PMNS + phase CP

DmM2 = Dm2( sin22q + (cos2q –x) 2 )1/2 Oscillation nm->ne à 3 saveurs : P [ n m (—) ® e ] @ sin 2 q 13 23 D 31 + cos 12 21 cos( 32 ± d ) -> 2 ondes de fréquence différente + interférence -> Importance de la valeur non nulle de TOUS les paramètres pour mesurer d Effets de matière : Couplage des ne aux e- via W± (autres couplages a I) sin 2 q M + (cos q –x) =   x = 2 2 GFNeE Dm2 DmM2 = Dm2( sin22q + (cos2q –x) 2 )1/2

Meilleur ajustement : Dm223 = 2.5 10-3 eV2 sin2(q23 )= 0.50 masseoscillation des neutrinos Matrice de mélange des états de masse: Solaire Atmosphérique Réacteur Matrice de Majorana Matrice PMNS + phase CP Probabilité d’oscillation à 2 états : ) E L Δm . ( θ ν P( μ 2 23 27 1 sin » ® t cos4 13 Les neutrinos atmosphériques Observation d’un déficit de nm (SuperKamiokande, 1998) nm  ne ? Exclus (Chooz) nm  nt ? solution privilégiée nm  ns ? Bcp moins probable 500 400 300 200 100 -1 -0.5 0 0.5 1 -1 -0.5 0 0.5 1 Cosq 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 sans oscillation oscillation nm  nt Meilleur ajustement : Dm223 = 2.5 10-3 eV2 sin2(q23 )= 0.50 Confirmation par K2K (2004) et MINOS (2006) Expériences sur faisceau

Situation expérimentale Paramètres Meilleur ajustement Précisions à 1s Dm²12 7.9 10-4eV² 4% |Dm²23 | 2.5 10-3eV² 10% Sin²(q12) 0.30 9% Sin²(q23) 0.50 16% Valeurs actuelles des paramètres d’oscillation intrinsèques CHOOZ, SK, KAMLAND, SNO, K2K, MINOS T.Schwetz, hep-ph/0606060 Sin²(2q13 ) < 0.20 à 2s vérification de la nature des oscillations n atmosphérique (nm-n?) mesurer plus précisément Dm232 et q23 Etudier l’oscillation nm  ne ou contraindre q13 Mesurer la phase d de violation CP Déterminer la nature du neutrino (Dirac ou Majorana) Mesurer la masse absolue des neutrinos Déterminer la hiérarchie de masse Mesure du moment magnétique du n MINOS, OPERA MINOS, T2K MINOS, NOnA, T2K, Double-CHOOZ, OPERA NOnA (+T2K) Principales expériences concernées: (expériences en cours ou projets à venir) Exp. double-béta : NEMO3, EXO,… KATRIN (mesure de spectres b)

L’expérience OPERA Recherche de l’apparition de neutrinos nt au laboratoire du Gran Sasso dans un faisceau pur de neutrinos nm produit au CERN (732 km) Première observation directe de l’oscillation nm nt 37 INSTITUTS, ~160 PHYSICIENS Détecteur situé dans le hall C du laboratoire sous-terrain (1400m) du Gran Sasso <E>=17GeV ; L=732km => L/E=43 km/GeV P(nm->nt)=3% pour Dm223 = 2.5 10-3 eV² => « off-atm-max-oscillation »

CERN Neutrino to Gran Sasso (faisceau CNGS) cible Corne Réflecteur détecteurs à muons Arrêt de faisceau Sac d’hélium de protons 4.5 10^19 protons par an (400GeV) To Gran Sasso Ø au GS=2km Angle 3.3° Flux de nm P(nm->nt)*s(nt CC) (unités arbitraires) Dm223 = 2.5 10-3 eV² Interaction CC des neutrinos au Gran Sasso : Nombre d’évènements attendus (0-100 GeV): N nm CC= 2972 /an/kT N ne CC= 20 /an/kT N nt CC= 19 /an/kT (Calcul avec une cible isoscalaire) <En>=17GeV

Le détecteur OPERA au Gran Sasso Manipulateur de briques Spectromètres à µ : aimants dipolaires (1.55 T) 2 SuperModules 31 modules / SuperModule 52 x 64 briques/murs 206 336 briques => 1.8 kT de Pb scintillateur Mur de briques module Base plastique de 200 mm Pb t 1 mm n émulsions 45 mm 56 plaques de plomb de 1mm + 57 films d’émulsions 290 mm (FUJI) 12.5 cm 8 cm n 8.6 kg 10 cm + 2 « Changeable sheet »

Les débuts d’OPERA et du CNGS 18-30 Août 06: premier run en faisceau (intensité 7,6.1017 pot) : tests positifs de l’électronique, sans briques. Ref : NJP 8 (2006) 303 Interaction n dans le fer de l’aimant µ provenant d’1 interaction n dans la roche

Les débuts d’OPERA et du CNGS Plus de 300 événements corrélés en temps avec le faisceau ont été enregistrés : interactions dans la roche et dans le détecteur (plastique des TT et fer des spectromètres) q° <q>=3.4 ± 0.3° Evénement faisceau cosmiques Distribution angulaire des données électroniques enregistrées (muons) q° 25-27 Octobre 06 : 2e run avec 572 briques, interrompu par un problème dans le système de refroidissement du réflecteur du CNGS. 5 briques extraites, avec des muons enregistrés par les détecteurs électroniques OPERA est actuellement en train de se préparer à la prochaine étape : observer les interactions de neutrinos dans les briques pour le run à temps plein de Mai à Novembre 2007.

De la brique au Vertex Brique candidate désignée par l’électroniqe Extraction de la brique du détecteur Développement et analyse des CS Traces en accord avec les prédictions électroniques OUI NON Développement de la brique Réinsertion de la brique dans le détecteur avec des nouvelles CS Envoi des émulsions aux laboratoires de scanning (15 en Europe et au japon) Reconstruction « online » (« scanning ») Reconstruction « offline » de traces = « tracking » Reconstruction de vertex = « vertexing » Analyse des émulsions

sx,y~1µm ; sz~6µm Reconstruction de vertex : Exemple de vertex de nm MC Exemple de vertex de pions MC 4GeV 4mm 15mm Résolution sur la position d’un vertex : sx,y~1µm ; sz~6µm

Efficacité de reconstruction de vertex Nombre de traces primaires reconstruites et correctement associées au vertex par rapport au nombre de traces primaires simulées dans les émulsions. Nb de traces reconstruites / Nb simulées Nb de traces reconstruites et correctement associées au vertex / Nb simulées nmCC MC 80-90% d’efficacité moyenne d’attachement correct des traces au vertex au delà de 2 GeV problème de reconstruction de traces en dessous de 600 MeV (diffusion)

Résolution angulaire des Basetraces Reconstruction d’impulsion avec la diffusion coulombienne multiple (MCS) Méthode des dépendances + décalages (méthode LAPP) : Ncell=1 qij q2meas=S q2ij/N Ncell=1mm Lead qmeas=s=2.3mrad p 4GeV MC Ncell=2 q2meas = 13.62 * Ncell 5.6*p2 + dq2 RMS q0 Résolution angulaire des Basetraces Résolution angulaire d’une basetrace : dqs = dq /sqrt(2)

Etape1 : Evaluation du dq q2meas = 13.62 * Ncell 5.6*p2 + dq2 Fichiers de pions MC de 1 et 2 GeV avec dqs=1.80mrad, et 3, 4, 6 et 8 GeV avec dqs=2.2mrad. dqs = dq /sqrt(2) Etape1 : Evaluation du dq Fit de qmeas avec P et dq comme paramètres libres avec toutes les traces dq dépend de l’étape de scanning ! Diffusion + importante à faible énergie => Technique des décallages nécessaire à haute énergie pour s’affranchir du dq (pour 1mm de Pb, q0(3GeV)=2.1mrad~ dq)

Etape2 : Reconstruction de P Fit de qmeas trace/trace avec P comme paramètres libre et le dq évalué précédemment q2meas = 13.62 * Ncell 5.6*p2 + dq2 distribution d’impulsion : f(p)=P0/p2 exp[- ] (1/p –1/P1) 2 (1/P2) 2 Exemple d’un fichier de pions MC 4GeV dqs=1.8mrad Prec=P1 DP/P=s(Prec/P -1) Fit MC p 4GeV : P=3.97 GeV±0.02 s=27.6% ±0.3

Comparaison data/MC Data : test en faisceau au CERN (2002-2004) Reconstruction de P : linéarité du MC parfait, décallage pour les données 4 GeV (offset de 250MeV) Le MC indique qu’il est possible de mesurer l’impulsion jusqu’à 8 GeV avec une réolution de 33%. Les données 8 GeV sont de très faible densité et difficiles à mesurer (contaminations encore indéterminées). Méthode implémentée dans le software de reconstruction off-line

s(nm charme)/s(nm CC) = 3.3% nt Détection du lepton t : le fond charmé et la reconstruction d’événements t->3h Canaux de désintégration du tau : Déviation dans la trajectoire de la particule Topologie à 2 vertex des événements nt->t->3h nm -> c m- x Lc± (26%) Particules charmées créées : D± (10%) D0/D0 (45%) Ds± (18%) Désintégration 3h chargés similaire au tau (16 canaux) (Taux de branchements calculés avec le PDG 2004 ) s(nm charme)/s(nm CC) = 3.3% Lc+ 9,7 D+ 4,5 Ds+ 10 Nombre d’évènements charmés 3h attendus par an pour OPERA : Nombre d’évènements nt CC canal 3h attendus par an pour OPERA : 16% d’évènements nt/Charme nt 4 => une analyse complexe mais importante à réaliser

Etude deVariables topologiques discriminates Rapport de vraisemblance Sans inclure de corrélations entre les variables pureté /efficacité e=55% ; p=70% Taux de particules charmées éliminées ( p=70%):

Avec résolution angulaire de 2 mrad Performances d’OPERA sur 5 ans Canal de désintégration e N signal N bruit 19.4% 6.1 0.31 m 16% 5.1 0.33 h 5.8% 5.3 0.42 3h* 7.1% 1.4 0.16 Total 48.3 17.9 1.22 Avec résolution angulaire de 2 mrad * Sans efficacité de détection et reconstruction

Conclusion OPERA a observé ses premières interactions neutrinos et les briques candidates sont en cours d’analyse. On attend 18 événements de signal (nt) sur les 5 ans de run à venir. Études possibles de l’oscillation nm  ne pour contraindre q13.

Back-up

Recherche de l’oscillation   e 2.5x10-3 eV2 m232 = 2.5 x 10-3 eV2 23 = 45° faisceau CNGS sur 5 ans Fit Combiné de Ee, Evis, (pt)miss sin2(213)<0.06 13 < 7.1º 90% C.L. limites sur sin2(213) et 13 :

Détermination par les effets de matière Hiérarchie de masses : Détermination par les effets de matière Normal Inversée m2atm 1 2 3 (Mass)2 m2sol } ou sin213 e [|Uei|2] [|Ui|2  [|Ui|2] W e e ( ) Augmente la masse efffective de e et diminue celle de e. P( e) >1 P( e) <1

Résolution sur la position des vertex : nmCC MC Position MC – position reconstruite sx,y~1µm ; sz~6µm

Comparaison data/MC avec des pions de 2GeV Données réelles : test beam CERN 2004 ~1000 traces dans la zone scannée, dq s=2.2mrad 10000 evts MC générés avec le même dq. Fit MC p 2GeV : P=2.06 GeV ± 0.01 s=25.4% ± 0.3% Fit data p 2GeV : P=2.04 GeV ± 0.01 s=24.1% ± 0.3% distribution d’impulsion : f(p)=C1/p2 exp[- ] (1/p –1/C2) 2 (1/C3) 2 Prec=C2 DP/P=s(Prec/P -1)