RECHERCHE DE MONOPOLES MAGNETIQUES CALIBRATION DU DETECTEUR ANTARES ET Nicolas PICOT CLEMENTE Sous la codirection de S. Escoffier et J.Busto.

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1 RECHERCHE DE MONOPOLES MAGNETIQUES CALIBRATION DU DETECTEUR ANTARES ET Nicolas PICOT CLEMENTE Sous la codirection de S. Escoffier et J.Busto

2 Plan de la présentation Introduction Calibration du détecteur Calibration à terre en salle noire Calibration in situ Recherche de monôpoles magnétiques Sensibilité de déclenchement du détecteur Introduction Conclusion

3 Le télescope à neutrino ANTARES

4 Description du detecteur Le site : 40 km au large de Toulon. 2500 m de profondeur. Structure générale : 12 lignes de 25 étages comportant 3 OMs. Balises acoustiques + 5 hydrophones par ligne. LEDs Beacons et Lasers Beacons. Instrumentation: Verifier la calibration en temps du detecteur (faite initialement en salle noire). Positionnement des modules optiques. 70 m 450 m Boîte de jonction Câbles de liaison 40 km àterre 2500m Détecteur complet depuis fin Mai

5 Module Optique: 10” Hamamatsu PMT à l‘intérieur d‘une sphère de 17” ( s TTS  1.3 ns) Photo-detection Elements de base d’un étage Module locale de contrôle LCM (dans cylindre en Ti): Cartes DAQ/SC, horloge, tilt/compas, … Structure de titane: Support Optical Beacon avec LEDs bleues: Calibration en temps Hydrophone: Positionnement acoustique

6 Calibration du détecteur

7 Résolution angulaire meilleure que 0.3° au dessus de quelques TeV, limité par :  Diffusion + dispersion chromatique dans l’eau de mer :  ~ 1.0 ns  TTS dans les PMs :  ~ 1.3 ns  C alibration en temps + électronique :  < 0.6 ns  Reconstruction de la pos. des OMs :  < 10 cm (↔  < 0.5 ns) Dominée par la reconstruction   rec −  true  rec − Dominée par la cinématique Performances attendues (études MonteCarlo)

8 Calibration du détecteur ANTARES Système de calibration in situ nécessaire pour la reconstruction des muons et l’astronomie neutrino : Positionnement relatif des OMs : Positionnement acoustique. Inclinomètres-compas. Temps relatifs des OMs : Distribution d’horloge. Pulsers de Leds des OMs. Balises optiques (Led Beacon). Positionnement absolu du détecteur : Navigation acoustique + DGPS. Temps absolu du détecteur : Horloge GPS de référence. Calibration préliminaire en salle noire durant l’intégration.

9 Calibration en temps des OMs en salle noire T OM – T photodiode Réf. Tps (ns) Détermination des décalages en temps T0 des OMs : Erreur sur temps d’arrivée du signal (  TVC 2 +  T0 2 +  Thorloge 2 ) ½ ~ 0,6 ns

10 Calibration en temps des OMs en salle noire T OM – T photodiode Réf. Distribution des T0 relativement à l’OM 0 de l’étage 1. Tps (ns) Détermination des décalages en temps T0 des OMs : Erreur sur temps d’arrivée du signal (  TVC 2 +  T0 2 +  Thorloge 2 ) ½ ~ 0,6 ns

11 Mesure in situ des chemins optiques de la terre à chaque étage STARTSTOP TDC STARTSTOP GPS E/O/E TX RX

12 Mesure in situ des chemins optiques de la terre à chaque étage STARTSTOP TDC STARTSTOP GPS E/O/E TX RX Grande précision de mesure et stabilité sur plusieurs mois.

13 Calibration en temps des lignes in situ Optical Beacon with blue LEDs: timing calibration Le système Led beacon : Dispersion T0_ OM

14 Calibration des lignes in situ avec le potassium 40 40 K 40 Ca  e - (  decay)  Cherenkov Pic Gaussien sur le graphique de coincidence Décalages temporels des différents OMs du détecteur Intégrale sous le pic = taux de coincidences corrélées Grande précision (~5%) monitoring des efficacités des OMs MC prediction =13 ± 4 Hz

15 Recherche de Monopôles Magnétiques

16 Introduction Equations de Maxwell div B = 0 non existence de charges magnétiques. très faibles flux de charges magnétiques. ou Symétrisation des équations de Maxwell. Dirac en 1931 : e-e- M.M. la plus petite charge magnétique, appelée la charge de Dirac.

17 Introduction t’Hooft et Polyakov en 1974 : Emergence de solutions non perturbatives ressemblant au M.M. de Dirac dans des théories de jauge non-abéliennes. Ces solutions apparaissent à chaque fois qu’un groupe compact et connexe est brisé en un sous-groupe connexe. Généralisation Exemple de transition avec le GUT minimal : MM avec une charge g=g D apparait, et n’est pas affecté par la seconde brisure de symétrie. rayon ~ 10 -28 cm masse ~ 10 16 GeV

18 Signal d’un Monopôle Magnétique dans l’eau de mer Cherenkov  from a .

19 n eau de mer ~ 1.35 8500 fois plus! Emission Cherenkov directe  > 0.74 : Signal d’un Monopôle Magnétique dans l’eau de mer Nombre de photons émis par un MM avec la charge équivalente 68.5e, comparé à un muon de même vitesse : Direct Cherenkov  from a MM with g=g D. x 8500 Cherenkov  from a .

20 g from d-rays g from MM g from m Cherenkov  from delta-rays. Direct Cherenkov  from a MM with g=g D. x 8500 Cherenkov  from a . Signal d’un Monopôle Magnétique dans l’eau de mer n eau de mer ~ 1.35 8500 fois plus! Emission Cherenkov directe  > 0.74 : Nombre de photons émis par un MM avec la charge équivalente 68.5e, comparé à un muon de même vitesse : Emission Cherenkov indirecte  > 0.51 : Energie transferrée aux électrons suffisamment importante pour les arracher (  -rays). Ces derniers devenant potentiellement émetteurs de lumière Cherenkov.

21 Sensibilité de déclenchement du télescope aux Monopôles Magnétiques.

22 Simulation MonteCarlo MonteCarlo Muon : charge e vitesse c MonteCarlo Monopole : charge électrique équivalente g=68.5e vitesse variable Simulation de MMs à différentes vitesses (0.55 <  < 0.995). Surface de génération 3 L absorption Surface du détecteur 12 L absorption Optimisation de la CAN de génération Delta-rays

23 Les triggers d’ANTARES 2 Triggers utilisés dans ANTARES : Le 2T3 : Coïncidence de 2 clusters T3 dans 2,2  s. Le 3N = 5 dans le détecteur en 2.2  s, reliées causalement. = 1 coïncidence locale de 2 OMs parmi 3 ou un hit de grande amplitude. L1 ou 100 ns200 ns Cluster T3 Etude de comparaison des 2 triggers.

24 Efficacité de déclenchement des événements N evts > 6 hits sur au moins 2 lignes Définition de l’efficacité : N evts triggées

25 Efficacité de déclenchement des événements N evts > 6 hits sur au moins 2 lignes Définition de l’efficacité : N evts triggées Trigger 2T3 -> Efficacité de déclenchement toujours supérieure, jusqu’à 7x plus grande pour MMs de petites vitesse (  ~ < 0,6). Few photons Direct Cherenkov threshold

26 Surface effective du détecteur après trigger Surface maximale dans laquelle le détecteur peut déclencher des événements monopôles.

27 Bruit de fond atmosphérique Nécessité de développer une analyse fine afin de discriminer les MMs (max 10 par an) du bruit de fond. ~10 muons atmosphériques descendants triggés par seconde. ~10 neutrinos atmosphériques montants triggés par jour. µ p p

28 Outil de reconstruction t 0, , , x, y, z cc k ℓ   t0t0 Reconstruction monopôles : Reconstruction des traces par minimisation des résidus temporels. Faible  : Discrimination avec fit de vitesse, … Haut  : Discrimination avec coupures sur nombre de photons, …

29 Etude précoupures en cours Densité de probabilité de L1 : Pour Monopôles Magnétiques montants. Pour atmosphériques montants. atm  0.99  0.59 Number of L1  0.70

30 Etude précoupures en cours Densité de probabilité de L1 : Pour Monopôles Magnétiques montants. Pour atmosphériques montants. atm  0.99  0.59 Number of L1  0.70 1,5 neutrinos restants par an.

31 Upgoing Magnetic Monopoles sensitivity Sensitivity with a C.L. of 90% for the 5-line detector after 127 days of data taking with a L1 cut giving an amount of ~ 0.5 neutrinos event, and considering only the neutrino background : 3.86 AMANDA II MACRO PARKER 127, From Feldmann-Cousins tables.

32 Conclusion ANTARES complet et prend des données. Calibration en temps bien maîtrisée, et précision respectée pour reconstruction < 0.3°. Encourageant pour la detection de MMs avec ANTARES, s’ils existent et si flux suffisamment important…

33 Backup Mettre : quelques graph de letude a 5 lignes

34 Etude préliminaire Densité de probabilité de L1 :  atm  0.99 Number of L1 Pour Monopôles Magnétiques descendants Pour  atmosphériques montants.

35 Upgoing Magnetic Monopoles sensitivity Sensitivity with a C.L. of 90% for the 5-line detector after 127 days of data taking with a L1 cut giving an amount of ~ 0.5 neutrinos event, and considering only the neutrino background : 3.86 AMANDA II MACRO PARKER 127, From Feldmann-Cousins tables.

36 Etude préliminaire Densité de probabilité de L1 : Pour Monopôles Magnétiques descendants Pour  atmosphériques descendants.

37 atm  atm  0.80  0.59 Number of T3  0.65 Distribution de T3 par événement Distribution de T3 par événement pour des MMs montants, des atm. et des  atm. Après le trigger 2T3 : Distribution de T3 par événement pour des MMs descendants, des atm. et des  atm. Après le trigger 2T3 : atm  atm  0.80  0.59 Number of T3  0.65

38 Calibration des TVCs Le convertisseur temps tension (TVC) : fournit l’instant de passage d’un certain seuil L0 d’un signal à l’intérieur d’une période de l’horloge de référence. 50 ns t 123456 Erreur sur temps d’arrivée du signal d’environ 0,3 ns. bits