L’USINE A NEUTRINOS ACCELERATION DES MUONS Séminaires du SACM 3 mars 2006 Franck Lemuet (CEA/DAPNIA/SACM & CERN)

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1 L’USINE A NEUTRINOS ACCELERATION DES MUONS Séminaires du SACM 3 mars 2006 Franck Lemuet (CEA/DAPNIA/SACM & CERN)

2 Contenu : Pourquoi une usine à neutrinos ? - le neutrino et ses oscillations Qu’est ce que l’usine à neutrinos ? - développements techniques Accélération des muons. - l’option FFAG SACM 3/03/2006

3 1930, W. Pauli qui étudie la désintégration    n → p + e   + ) écrit à ses confrères réunis à Tubigen : [...] The continuous beta spectrum would then become understandable by the assumption that in beta decay a neutron is emitted in addition to the electron such that the sum of the energies of the neutron and the electron is constant [...] Le neutrino : un peu d’histoire 1956, F. Reines et C.L Cowan découvrent expérimentalement le en utilisant comme source le réacteur nucléaire de Savanah River (E-U). 1989, l’expérience ALEPH au LEP (CERN) montre en étudiant la décroissance du boson Z qu’il n’ existe que trois familles de (anti)neutrinos comme autant de leptons : SACM 3/03/2006

4 Une énigme demeure ! Sa masse est-elle nulle comme le suppose le modèle standard ? Une réponse théorique existe L’oscillation des neutrinos SACM 3/03/2006

5 Aux trois états de saveurs, on associe trois états de masse correspondant à trois masses m 1, m 2, m 3. Oscillations des neutrinos (I)  angle de mélange  phase de violation CP Un neutrino dans un état de saveur  est une combinaison d’états de masse i : Cet état de saveur peut être propagé selon l’équation de Schrödinger …….. SACM 3/03/2006

6 Oscillations des neutrinos (II) sourcedétecteurL La probabilité qu’un (anti)neutrino  d’énergie E se transforme en un (anti)neutrino  après une propagation dans le vide sur une distance L s’écrit : P Oscille en fonction de L/EP est observable si vide L’observation du changement de saveur constitue la preuve expérimentale que les neutrinos ont une masse. SACM 3/03/2006

7 Les preuves expérimentales des oscillations 2001 sur les neutrinos solaires : SNO (Canada), détecteur Cerenkov, 1000 T de D 2 O 1998 sur les neutrinos atmosphériques : SK (Jp), détecteur Cerenkov, 40 kT de H 2 O (qq MeV) (100 MeV –qq GeV) L = 14 km L = 150 10 6 km SACM 3/03/2006

8 L’usine à neutrino : motivations Depuis 1997 une première génération d’expériences utilisant des accélérateurs ont vu le jour afin de mesurer avec précision les paramètres des oscillations : - T2K (Japon), No a (E-U), CNGS (CERN) L’usine à neutrino est une expérience de seconde génération qui se propose de construire une source intense de neutrinos de haute énergie (10 21 / an, E = 20 GeV), en utilisant la désintégration du muon : Afin de mesurer :  -  L’angle de mélange    par la probabilité d’oscillation : - Le signe de  m 12 en utilisant l’effet MSW. - Mesurer si elle existe la phase  de violation CP dans le secteur leptonique en mesurant l’asymétrie : SACM 3/03/2006

9 L’usine à neutrinos : une collaboration internationale 1999 à Lyon, premier colloque NuFact99. L'usine a neutrino est un projet international réunissant plusieurs communautés et groupes de travail en Europe, Japon, Etats-Unis. - ECFA/BENE en Europe - Collaboration NuFact-J au Japon - Collaboration MC (Muon collider) et Neutrino Factory aux E-U - Collaboration Neutrino Factory au Royaume-Uni Plusieurs études détaillées sur la conception d'une usine à neutrinos existent : - Avril 2000, Study I, Fermilab - Juin 2001, Study II, BNL - Nov. 2004, Study IIa (optimisation de Study II, réduction des coûts) - 2000 Japon - Avril 2004 CERN Juin 2005, lancement d’une étude mondiale l’ISS (International Scoping Study) dont le rapport est prévu pour septembre 2006. SACM 3/03/2006

10 Concept de base d’une usine à neutrino - Proton driver production d’un faisceau intense de protons -Cible, capture et canal de décroissance production de pions :      production de muons : -Rotation de phase réduction de la dispersion en énergie du faisceau de muons - Cooling réduction des dimensions transverses du faisceau de muons - Accélération les muons sont accélérés de 0.2-0.3 GeV à 20 Gev - Anneau de décroissance production des neutrinos : flux : 10 20-21 neutrinos par an SACM 3/03/2006

11 Taux de répétition Hz Energie GeVPuissance MW SPL (Linac Supra) CERN 503.54 AGS (Synchrotron) E-U BNL 2.5 / 528 / 401 / 4 SCL (Linac Supra) E-U Fermilab 1081.9 FFAGs isochrones R-U RAL 50105 JAERI (Synchrotron) Japon 0.3501.4 SACM 3/03/2006 Proton Driver Délivrer un faisceau de protons de forte puissance de plusieurs MW. Il existe autant de projets que de collaborations !

12 Cible SACM 3/03/2006 Cible liquide Cible à jet de mercure (20m/s) contenue dans un solénoïde (15 T). Expérience nTOF11 au CERN (2007) Faisceau 24 GeV, 1 MW (PS) Cible solide Le choix du matériaux n’est pas encore fixé. Études en cours sur l’optimisation de la production de pions en simulant l’interaction protons/cible avec les codes MARS15 et GEANT4. Ex : Tantale La difficulté majeure est de supporter un faisceau de proton de plusieurs MW. solénoïde protons Jet de Hg

13 Capture Capturer les pions à la sortie de la cible et faire une première focalisation du faisceau de pions/muons. E-U / Japon Solénoïde supra avec B décroissant E-U : 20 T- 1.5 T ; L = 12 m Jp : 20 T- 5 T ; L = 3 m CERN Corne magnétique B 1.5 T SACM 3/03/2006

14 Canal de décroissance Permettre aux pions de se désintégrer en muons. Distribution en énergie du faisceau pions/muons à la sortie Ex : CERN (30 m)

15 Rotation de phase Réduire la dispersion en énergie en utilisant des cavités RF. CERN 44 MHZ, 2 MV L = 30 m E-U bunching 333-234 MHz, 12.5 MV, L= 51 m Rotation 232-201 MHz, 12.5 MV, L = 54 m Japon, pas de rotation, ils injectent directement à 300 MeV dans un FFAG (dp/p ≈ 50 %) Réduction autour de E = 200 MeV, dp/p ≈ 10 % SACM 3/03/2006

16 Cooling Réduire les dimensions transverses du faisceau de muons. CERN Cavités 44/88 MHZ E-U (expérience MICE) Cavités 201.25 MHz + absorbeur à hydrogène liquide À la sortie  x,y = 30 π mm rad SACM 3/03/2006

17 Accélération des muons Doit être très rapide à cause de la courte durée de vie des muons (  = 2.2  s). FFAG machine circulaire dans laquelle le champ B est fixe. Cette technologie a été adoptée dans toutes les dernières études de conception. Pas de synchrotrons car il impossible d’augmenter le champ B assez rapidement. RLA ( Linac à recirculation ) avec de forts gradients. C’est une technologie très coûteuse. SACM 3/03/2006

18 Accélération : Japon (JAERI) FFAG Scaling SACM 3/03/2006

19 FFAG Scaling dynamique transverse Cellule = Triplet d’aimants secteurs non linéaires: D-F-D R excursion radiale Ro un rayon de référence K est appelé l’indice de champ SACM 3/03/2006 Les tunes sont indépendants de l’énergie et peuvent être ajustés en jouant sur le ratio F/D et l’indice de champ K pour se placer loin des résonances.

20 FFAG Scaling dynamique longitudinale Le temps de vol augmente mono chromatiquement avec l’énergie. SACM 3/03/2006 Accélération dans le «bucket» Fréquence RF 25 MHz

21 Accélération : E-U (Study IIa) FFAG non Scaling, linéaire SACM 3/03/2006

22 FFAG Non Scaling, linéaire dynamique transverse Cellule = Doublet d’aimants linéaires à fonctions combinés : F-D Les tunes varient avec l’énergie, mais l’idée est d’accélérer assez rapidement pour limiter le grossissement d’émittance dû aux passages des résonances. QF B<0QD B>0 SACM 3/03/2006

23 FFAG Non Scaling, linéaire dynamique longitudinale Le temps de vol varie quadratiquement avec l’énergie. Accélération dite en « tuyau» SACM 3/03/2006 Fréquence RF 200 MHz

24 Etude de transmission : 10-20 GeV SACM 3/03/2006 Dimensions initiales : Distorsion du paquet 1300 cellules

25 Accélération : R-U FFAG non Scaling, non linéaire Isochronous FFAG 3.2 to 8, 8 to 20 GeV RLA, 1-3.2 GeV Linac, 0.2 to 1 GeV FFAG 3-10 GeV RCS, 0.18 to 3 GeV Linac, 0.18 GeV Storage ring Blue: proton, Red: muon SACM 3/03/2006

26 FFAG non-scaling, non linéaire dynamique transverse Cellule = Quintuplet d’aimants non linéaires (jusqu’au dodécapole) SACM 3/03/2006 Les tunes varient avec l’énergie, mais l’idée est d’accélérer assez rapidement pour limiter le grossissement d’émittance dû aux passages des résonances.

27 FFAG non-scaling, non linéaire dynamique longitudinale Le temps de vol est constant en remplissant la condition γ=γ t pour toutes les énergies. Accélération isochrone sur la crête de la RF. SACM 3/03/2006 Fréquence RF 200 MHz

28 Etude de transmission : 8-20 GeV SACM 3/03/2006 Pertes localisées au passage d’un nœud de résonance Dimensions initiales : limites de stabilité 1850 cellules

29 Anneau de décroissance detector Racetrack design detector Triangular design Décroissance des muons en neutrinos dans les sections droites. Deux types : - Si 1 détecteur - Si 2 détecteurs SACM 3/03/2006

30 Conclusions L’usine à neutrinos permettrait des découverte majeures - paramètres d’oscillation - violation CP leptonique Sa conception stimule le développement de nouvelles techniques. - Cible pour haute intensité - FFAG pour accélération Reste à déterminer le type de FFAG qui sera utilisé, en s’appuyant sur les études de transmission. Reste à faire le point sur TOUTES les options à retenir pour le schéma final. Un grand pas va se faire dans cette direction avec le travail de L’ISS jusqu’à l’ été 2006. SACM 3/03/2006