GDR Neutrino Compte rendu d’activités du groupe GT1 et programme futur (détermination des paramètres du neutrino) Thierry Lasserre (CEA/Saclay & APC) Dominique Duchesneau (LAPP) IPN Orsay 4-5 Octobre 2006

Th. Lasserre - GDR neutrino [  m  12 ] – [  m  23 ] – signe(  m 2 32 ) -  13 -  Superfaisceaux + km + Usines à faisceaux β sin 2 (2  13 )<0.15 (CHOOZ)   13 ? (petit angle) Hierarchie de masse  signe(  m 2 32 ) ? Violation CP  phase  ? solaires + KamLAND + 80 km MSW-LMA  m 2 12 ~O(10 -4/-5 ) eV 2 sin 2 (2  12 )~0.8 (grand angle) atmospheriques + K2K + MINOS & Superfaisceaux  m 2 32 ~ eV 2 sin 2 (2  23 )~1 (angle maxi ?) Mais pas d’échelle de masse absolue avec les oscillations -->  &  0 ? Rappel des paramètres à mesurer

Th. Lasserre - GDR neutrino Ce groupe de travail s’articule autour des diverses approches expérimentales afin de déterminer les paramètres des neutrinos. Les objectifs de ce groupe sont de: Favoriser les échanges d’informations entre les diverses équipes françaises engagées sur des expériences neutrinos au travers de brèves présentations et de ‘status report’ lors des rencontres :  NEMO (nature du neutrino et échelle de masse absolue) ;  Borexino et KamLAND (secteur « solaire »,  m 2 21 et  12 ) ;  OPERA, MINOS, et K2K (secteur « atmosphérique », légère amélioration de notre connaissance de l’angle de mélange  13 ) ;  Double Chooz (amélioration de notre connaissance de l’angle de mélange  13 ) ;  T2K (amélioration des paramètres atmosphériques  m 2 32 et  23, et de notre connaissance de l’angle de mélange  13 – phase préliminaire de mesure de la phase  ) ;  Impliquer des théoriciens & phénoménologues dans certains aspects pouvant amener une avancée dans les résultats expérimentaux (ex : calcul d’éléments de matrice nucléaire pour la double bêta, modèles prédisant la structure de la matrice PMNS, modèle de masses des neutrinos, flux des réacteurs, section efficaces) Programme du groupe GT1

Th. Lasserre - GDR neutrino  Étape 1 : Confirmation des oscillations, mesures de  m atm 2 et  13, et panorama actuel en double bêta. Synthèse des connaissances actuelles de la matrice PMNS. Revue des expériences impliquant les groupes français et discussion des méthodes d’extraction des paramètres des données : Némo, K2K, CNGS/OPERA, Borexino, KamLAND, MINOS, Double Chooz, T2K … Les étapes envisagées  Étape 2 : Vers la détermination de  13 (si sin 2 (2  13 )<0,01), de la hiérarchie de masse, et de l’échelle de masse absolue. Les projets et leurs potentiels : prochaine génération de manip double bêta, T2K et autres super faisceaux, faisceaux bêta, deuxième génération de manip réacteur, usine à neutrino …  Étape 3 : Quelles expériences & combinaisons d’expériences pour extraire les paramètres des neutrinos et particulièrement la phase  (partenariat avec les autres groupes de travail). Complémentarité et synergies des projets : double bêta, accélérateurs, réacteurs, et utilisant les sources naturelles de neutrinos.  Implications des groupes français?  Recommandations

Th. Lasserre - GDR neutrino Conclusions (réunion mai 2006) Autres thème de physique à développer :  Liens avec d’autres GT’s  La diffusion cohérente des neutrinos  Le moment magnétique du neutrino Les 3 étapes :  Etape 1 :  objectifs atteints  rythme de croisière: évolutions des manips à suivre  Présentations Borexino & KamLAND à venir ?  Etape 2 :  en cours  Présentation Nova (hierarchie de masse), Panorama réacteurs (Daya Bay, Kaska, Reno, Double Chooz …)  Etape 3 : pas vraiment commencée Mission de formation du GDR:  « les présentations des jeunes chercheurs seront encouragées »  6 présentations d’étudiants et de post-doc

Th. Lasserre - GDR neutrino Réunion 4-5 octobre 2006  Etape 2 :  Présentations 4/10/06  Nova & hierarchie de masse : L. Camilleri  + NUSAG  Panorama expériences réacteurs : G. Mention  Comparaison des expériences pour le GDR

Th. Lasserre - GDR neutrino Prochaines réunions  Fin étape 2 :  Présentation Borexino - Remplissage - Première données - Analyse antineutrino réacteur  Présentation KamLAND ? - Nouveaux système de purification - Impact sur physique des antineutrinos de réacteurs (+ neutrino solaire, géoneutrinos  GT3)  Revue des résultas conférence 2006

Th. Lasserre - GDR neutrino Ces travaux nécessiteront des synthèses d’articles et d’avis d ’experts, éventuellement d’effectuer des simulations, des études de performances. Il faudra collaborer avec les groupes internationaux déjà impliqués dans ces activités. Elles concernent :  La prochaine génération d’expériences double bêta sans neutrino;  Les projets sur accélérateur avec des faisceaux de neutrinos de haute intensité (« super faisceau », « faisceau bêta », « usine à neutrinos ») ;  les projets d’expérience de réacteur de 2 ème génération ;  Les projets utilisant des sources naturelles de neutrinos (atmosphérique, solaire, supernovae, …) ; Pour ces trois dernières thématiques à moyen et long terme, les détecteurs proposés comptent :  Les détecteurs Tcherenkov à eau d’une masse de quelques centaines de kilotonnes à une mégatonne ;  Les détecteurs à argon liquide de seconde génération (100 kilotonnes), le détecteur magnétisé d’une cinquantaine de kilotonnes pour l’usine à neutrino);  Les détecteurs à liquide scintillant de prochaine génération, d’une masse d’environ 50 kilotonnes. Etape 3  Quelles expériences & combinaisons d’expériences pour extraire les paramètres des neutrinos et particulièrement la phase  (partenariat avec les autres groupes de travail). Complémentarité et synergies des projets : double bêta, accélérateurs, réacteurs, et utilisant les sources naturelles de neutrinos.  Implications des groupes français?  Recommandations

Th. Lasserre - GDR neutrino La traque de « la 3 ème » oscillation …  Présentations régulières de l’évolution des expériences en cours Opera, Minos, Double Chooz, T2K … (implications françaises)  T2K:  Revue des systématiques / bruits de fond & méthodologie d’analyse  Les détecteurs proches 280 m et 2 km (impact sur le potentiel de découverte)

Th. Lasserre - GDR neutrino  Présentation T2K phase 2 (super faisceau + HK)  Présentation & discussion du projet CERN To Fréjus (C2F): - faisceau très intense de protons de 4 MW (CERN ?). - grand détecteur mégatonne dans un agrandissement du laboratoire souterrain du Fréjus.  Présentation & discussion du projet Beta-beams ("bas  "): - projet basé au CERN couplé à un détecteur lointain au Fréjus. - faisceaux intenses de neutrinos en utilisant des faisceaux d'ions radioactifs émetteurs bêta. Thèmes à discuter : Sensibilité à la mesure de  13 (sensibilité sin 2( 2  13 )>0.002) Sensibilité à la violation CP dans le domaine leptonique. synergie avec la physique « hors accélérateurs » … Esquisse de la feuille de route: projet à long terme  Horizon 2015 …

Th. Lasserre - GDR neutrino Usine à neutrinos : - faisceau intense de neutrino produit par un faisceau de muons accélérés. - nécessite un important R&D pour démontrer sa faisabilité. - détecteur de 50 kt  Présentation du potentiel physique Beta-beams ("haut  ") : - R&D pour production d'un faisceau à "haut  ". - Il serait une suite du projet « bas  »  Présentation du potentiel physique Thèmes à discuter: Si et seulement si sin 2( 2  13 )<0.01 ? Synergie avec la physique « hors accélérateurs » ? … … projet à très long terme Horizon 20XY, X  2, Y 6 9 …

Th. Lasserre - GDR neutrino  Mesure de précision des paramètres d’oscillation – liens GT5 -  Intérêt de la détermination de la hiérarchie de masse (ββ0 )  Comparaison performance des projets «  »:  Sensibilité à  si sin 2 (2  13 )>0.01  Sensibilité à  si sin 2 (2  13 )<0.01  Systématiques faisceaux/détecteurs  Potentiels physiques des trois techniques de LAGUNA (pour mesure des paramètres du neutrino) : - Argon liquide - Tcherenkov à eau - Liquide scintillant  … A discuter …

Th. Lasserre - GDR neutrino  Présentation : Les expériences ββ0 de prochaine génération - Super-Nemo - Gerda-Majorana - EXO - …  Questions : - Liens hiérarchie de masse, précision  13 & contraintes de ββ0  Présentation : Les expériences réacteurs à l’échelle de 1-10 kt - Daya Bay, Tripe Chooz - Angra, KASKA …  Questions : - Amélioration contraintes  13 - Intérêt d’une nouvelle mesure de  12 Hors accélerateur

Th. Lasserre - GDR neutrino Autres thème de physique à développer :  Présentation des efforts pour la mise en évidence de la diffusion cohérente des neutrinos (+ applications)  Germanium à très bas seuil en énergie  TPC  …  Le moment magnétique du neutrino  INO, neutrino atmosphérique et hiérarchie de masse En ouverture …