Un pôle de recherche sur les D. Duchesneau STEREO 1 EAOM du LAPP 23 septembre 2013 état des lieux de la physique des Thèmes de recherche  En cours: oscillation.

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1 Un pôle de recherche sur les D. Duchesneau STEREO 1 EAOM du LAPP 23 septembre 2013 état des lieux de la physique des Thèmes de recherche  En cours: oscillation  Moyen terme: stérile et désintégration double beta  Long terme: Hiérarchie de masse et violation CP Conclusions OPERA SuperNEMO LBNO

2 2 ● quelle est l’échelle de masse absolue? - fondamental pour cosmologie et le schéma d’unification des interactions ● la nature des neutrinos: - si Majorana => violation du nombre leptonique, conséquence théorique (leptogénèse, GUT) ● Existe-t-il plus de 3 neutrinos, quelle est l’origine de l’anomalie réacteur? les neutrinos: encore de nombreuses questions fondamentales ● Quelle est la hiérarchie de masse? - essentiel pour la quête de la violation CP Distinguée par effet de matière sur oscillations (long baseline, atmosphérique…) ● Violation de la symétrie CP dans le secteur des leptons? expériences faisceau long baseline car CP due à termes d’oscillation sous-dominant malgré les nombreux progrès expérimentaux, leurs propriétés sont moins bien testées que celles des quarks et des leptons chargés avec encore de nombreuses inconnues Parmi les domaines de recherche en physique des particules les neutrinos offrent une porte vers de la nouvelle physique

3 Bugey Chooz Nomad OPERA (en cours: exploitation / analyse) au LAPP: longue tradition dans des expériences clés ainsi que LPSC et LSM Les motivations de physique et l’expérience acquise nous amènent à poursuivre les activités neutrinos en suivant 3 axes de recherche dans le cadre du développement du pôle neutrino de ENIGMASS. 3 Propriétés des : moment magnétique, double désintégration beta sans MUNU NEMO3 ILL Etudes des oscillations sur réacteurs et sur faisceau

4 Collaboration: LAPP, LPSC, LSM et LAPTh Le programme neutrino ENIGMASS couvre l’essentiel des thèmes fondamentaux de recherche de la physique des neutrinos -Oscillation, hiérarchie de masse et violation CP -la nature des neutrino -les neutrinos stériles Ce programme est en accord avec les ‘roadmaps’ nationale et internationale en cours. Il utilisera des infrastructures existantes dans la région: CERN, LSM, ILL Court terme (2012 -2016): oscillation CNGS/OPERA neutrino stériles et anomalies (réacteur ILL, STEREO) Moyen terme (2012 – 2020) : Double désintégration béta (LSM, SuperNEMO) Etude de projet Long Baseline (LSM est un des sites candidats) Long terme (2020 et au delà): expérience Long Baseline (CERN, LSM) Implication des groupes de théoriciens du LAPTh et LPSC Pôle neutrino dans ENIGMASS 4

5 Activités expérimentales prévues dans ce cadre OPERA/CNGS: 2012-2015  Finir l’analyse des données pour la recherche d’oscillation    STEREO 2013-2016 ( ANR ‘programme blanc’ ) Système de calibration avec sources radioactives Electronique d’acquisition + veto µ Blindages: mécanique, réalisation Installation et commissionning au réacteur de l’ILL SuperNEMO démonstrateur (2013-2016) développement des feuilles sources de double beta développement du ‘Slow control’ Installation et commissionning au LSM 5 À plus long terme: (2016-2025) Projet de Long baseline (type LBNO) avec détecteur de grand volume de LAr ou Cherenkov à eau. Design Study européen en cours avec Laguna-LBNO (2012-2014)

6 ThèmeExpérimentalthéorielabos Double betaDémonstrateur 7kg de SuperNemo au LSM; développement fabrication source Se; exploitation du détecteur Dans le long terme: lien avec cosmologie pour m LAPP, LSM, LAPTh Oscillation sur faisceau et projet souterrain Analyse des données CNGS- OPERA Calcul de sections efficaces d’interactions dans le domaine du GeV pour les projets LBL (applicable aux atm. pour détecteurs LAGUNA) LAPP, LPSC Etude de faisabilité avec LAGUNA-LBNO: détecteur WC de 660kT; simulation; R&D pour futur projet souterrain WC ou LAr; physique de ces détecteurs. Phénoménologie: de SN: comparer les performances des différentes technologies pour mettre en évidence certaines signatures de modèle. Possible sensibilité à la hiérarchie de masse LAPP, LSM, LAPTh, LPSC Neutrinos stérilesProjet de détecteur à liquide scintillant près d’un réacteur à cœur compact (ILL); recherche de stérile dans le domaine suggéré par les anomalies. Projet SEDINE Impact cosmologique de l’existence des s correspondants aux anomalies réacteurs… LAPP, LAPTh, LSM, LPSC Structure et liens de recherche entre labos d’ENIGMASS pour le Pôle neutrino 6

7 OPERA (LAPP) 18 m Activités principales:  Système de manipulation des briques cibles (BMS) dont le LAPP est responsable  Analyse de physique des oscillations dans les canaux   3h et   e et étude   e 7  Dernier run du faisceau CNGS en 2012 Fin de la prise de données le 3/12/2012. 18.2x10 19 pot depuis 2008 (80% de l’intensité nominale)  Résultats récents d’oscillation Observation de 3 candidats  avec l’analyse de 64% des données Mesure du taux de e et contrainte sur l’apparition de e par oscillation 1 er candidat 2 eme candidat    3h     h -  Objectif: compléter et finaliser l’analyse d’ici fin 2014  -   -  3 eme candidat Fond attendu: 0.22 evt Exclu la non oscillation à 3.4 

8 Laboratoires ENIGMASS impliqués: LAPP, LPSC Activités: développement et mise en place d’un détecteur scintillateur liquide à l’ILL Période: 2013-2016 Objectifs: recherche de neutrinos stériles ou contraindre son existence dans l’espace des paramètres des anomalies actuelles (masse de l’ordre de 1eV 2 ) Le projet STEREO Détecteur de 2m 3 de liquide scintillant dopé au Gd (0.2%) Placé à 8m du coeur du réacteur de l’ILL Signature:  ν e +p→e + +n Cible compartimentée pour voir la dépendance en L/E à différents L Détection avec photomultiplicateurs de 10 ’’ 8 Calendrier: 2013-2014 Design & construction ; automne 2014 => Installation à l’ILL 2015-2016 run de Physique

9 9  -veto - water 10 cm lead front wall Polyethylene 5 target cells 40 cm thick 10 cm lead ~ 3.30 m 20 cm acrylic buffer Le projet STEREO au LAPP Activités principales:  Développement du système de calibration avec sources radioactives: γ sources ( 22 Na, 60 Co, 68 Ge n capture par H & Gd)+ n sources (Am-Be)  Etude mécanique des blindages PE et plomb 1 3 2 4 5 6  Développement des logiciels de calibration et monitoring

10 SuperNEMO: désintégration double beta sans neutrino Laboratoires ENIGMASS impliqués: LSM, LAPP Activités: développement et mise en place du démonstrateur de SuperNemo 7kg de Se. Période: 2012-2016 avec installation au LSM en 2014 et prise de données 2015-2016 Objectifs: démontrer la faisabilité de réaliser ce détecteur très basse radioactivité et contraindre l’existence du processus double beta dans la région …. (A,Z)  (A,Z+2) + 2 e - Détecteur composé d’une chambre à traces et d’un calorimètre + feuilles sources de l’isotope 2  Observables: énergie électrons, distribution angulaire 10

11 11 SuperNEMO au LAPP Activités principales:  Développement d’une méthode pour produire et optimiser les feuilles sources de 82 Se en collaboration avec LSM Développement du système de ‘slow control’: bâti sur l’expérience de l’équipe CTA pour développer l’architecture autour des serveurs OPC UA  Simulation des performances du démonstrateur en fonction des paramètres des sources  ‘Commissioning’ au LSM et analyse des données du démonstrateur 3,5 kg de 82 Se enrichi à 98% en France

12 12 Exigences  Traiter des sous-systèmes hétérogènes  Contrôle à distance sécurisé  Cycle utile 24h/24, 2-10 années  ~75% temps : pas d’équipe technique au labo  Interopérabilité avec les composants logiciels externes  Evolutivité : future 20 modules (LSM extension) SuperNemo: Développement du système de Slow Control LSM Bâti sur l’expérience de l’équipe CTA Propose de développer l’architecture autour des serveurs OPC UA selon la technologie envisagée pour CTA: o intégration de matériel très varié o homogénéisation des accès o indépendante de la plateforme; implémentation multi-langages (C, C++, Java etc…) Application en grandeur réelle du choix technique de CTA Environnement générique est opérationnel; plusieurs prototypes l’ont validé Valorise le travail déjà commencé et permet d’aboutir au stade de démonstrateur rapidement; gagner de l’expérience dans l’environnement nouveau OPCUA

13  Construction a commencé pour différents éléments  Installation et commissioning (2013 – 2014)au Laboratoire Souterrain de Modane  Prises de données 2015-2016  Pas de fond attendu  Sensitivité après 2 ans : T 1/2 > 6.6 10 24 y et < 0.2 -0.4 eV Installation au LSM et calendrier 13

14 14 Les compétences acquises : -Développement de technique pour expérience basse radioactivité -Développement de détecteur scintillateur liquide Permet de maitriser les techniques qui pourraient être utilisées pour de prochaine générations de détecteurs: double beta, matière noire projet réacteur pour hiérarchie de masse Et donc de s’adapter à d’éventuelles évolutions du paysage scientifique dans les 10 prochaines années En plus de mettre à profit l’expertise existante et de réaliser des expériences neutrinos avec retour de physique dans les 3 prochaines années, période charnière avant les projets à très long terme.

15 15 Enjeu mondial: Hiérarchie de masse:  atmosphérique (ex: pré-étude en cours Pingu, Orca…)  Réacteurs (ex: JUNO (Daya Bay II), ou RENO-50 (20kton de LSc, 60 km)  Faisceau Long BaseLine (> 1000 km)  Europe => LBNO avec Argon Liquide  US => LBNE avec Argon Liquide Violation CP:  Faisceau Long BaseLine  Europe => LBNO avec Argon Liquide / 2300 et 1300 km?  US => LBNE avec Argon Liquide / 1300 km  Japon => Cerenkov à eau / 295 km A terme: probablement 1 seul projet de faisceau LBL dans le monde mais dispositif incontournable pour la violation CP Pour le long terme:

16 16 Activité faisceau longue distance: développement prototype de détecteur programme de R&D sur la technologie LAr pour détecteur lointain des faisceaux longue distance

17 Effort européen (études similaires se font aux US et Japon) Etudes de projet futur faisceau en Europe (LAGUNA-LBNO) 17 LAPP est partenaire du DS

18 18 Liq. Argon →100kT Water Č erenkov 2x 300kTLiq. Scintillator→50kT Propriétés des  oscillation, violation CP leptonique: faisceaux, atm..) Etudes de phénomènes astrophysiques liés aux :  Effondrement gravitationnel d’étoiles ( des Supernovae)  Formation des étoiles au début de l’univers (fond diffus de de SN)  Etude des processus de fusion avec  solaires) Test des modèles géophysiques de la terre (Geo -, U, Th - ) Désintégration du proton Riche programme de physique

19 19 Projet européen de Long Baseline: Après les études de LAGUNA et LAGUNA-LBNO CERN-Pyhäsalmi (2300 km) GLACIER (20 kton) + MIND (35 ktons) Puis approche séquentielle 20kton => 50 kton LAr

20 20 Hiérarchie de masse en 2 ans à plus de 5 sigmas Début d’investigation de la violation CP => selon les résultats augmenter graduellement les masses de détecteur. Démarrage en 2023 Après 2 ans 50% neutrinos et 50% anti neutrinos Première phase LBNO 20kton (5+5 années nu/nubar) 71 (44)% coverage at 90% (3  Performances: Points techniques à valider avec un prototype de grande échelle:

21 21 Long Baseline au LAPP Activités envisagées: Participation à la réalisation d’un prototype de détecteur TPC Argon Liquide (6x6x6 m3) au CERN avec APC,IPNL, LPNHE et Irfu (voir CS IN2P3 27/06/13): Lecture des signaux des photomultiplicateurs: Adapter PMm2 (ANR avec le LAPP 2007-2010) au proto avec environnement cryogénique Automatisme: Système de positionnement du plan d’anode au dessus de la surface du liquide Mécanique de la Field Cage (électrodes) / du plan d’anodes

22 22  La physique des neutrinos est un domaine très dynamique et passionnant avec des défis expérimentaux intéressants à relever  Le LAPP bénéficie d’un atout avec ENIGMASS pour développer une activité neutrino suivant un programme en cohérence avec la stratégie nationale et internationale et touchant les questions fondamentales du moment avec retour de physique sur le moyen terme.  neutrinos stériles et anomalies.  la recherche de désintégration double beta sans neutrino (SuperNemo)  les oscillations des neutrinos: expérience sur faisceau et futurs projets souterrains pour neutrinos de faisceau et astrophysique (OPERA et LBNO) Conclusions et perspectives: Collaborations: LAPP, LPSC, LSM

23 23  Le projet STEREO est financé (ANR) et permet la réalisation du volet de recherche sur les neutrinos stériles. Secteur actif et à forte compétition.  Les développements pour le démonstrateur de SuperNemo sont bien engagés (Sources), relativement définis et permettent au LAPP une très bonne visibilité et un gain d’expérience (notamment le Slow Control pour CTA) dans le court terme. La validation de la physique accessible par ce démonstrateur sera un élément clé pour la définition de la prochaine génération d’expérience de double béta  Le projet de faisceau Long base Line est l’avenir à long terme du domaine. Un engagement progressif passant par une participation au R&D détecteur proposé est une étape essentielle pour mettre à profit les expertises du LAPP, se positionner et acquérir des expertises nouvelles. Conclusions et perspectives: Nécessité de soutenir et renforcer pour pérenniser le pôle neutrino

24 24 The End

25 25 Avec faisceau : 2 technologies de détecteur: TPC Liquid Argon Homogeneous massive target and ionization detector Water Cerenkov

26 26 Détecteur de très grande dimension: Principe: lecture double phase Argon (liquide et gaz) après une distance de dérive pouvant aller jusqu’à 20m Points techniques à valider avec un prototype de grande échelle:  Technique de construction des réservoirs LNG  Système de purification  Grande longueur de dérive des électrons  Système de Haute tension des électrodes 300-600 KV  Lecture à double-phase  L’électronique de lecture  Reconstruction des interactions dans la TPC

27 Anomaly investigation and search for sterile neutrino 27