JE Campagne Branville 06 et … de Super-Kamiokande-III à EL SUD.

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1 JE Campagne Branville 06 et … de Super-Kamiokande-III à EL SUD

2 Environ170  /cm pour 350 < < 500 nm 11,000 PMT (20’’) >30% couverture, Q.E.≈20%, CE~60% Les particules relativistes:  ≈14 photoelectrons / cm  ≈7 p.e. per MeV Volume total 52kT Fiduciel: 22.5kT 100m Gd Cl 3 très grande solubilité mais acide Capture neutron sur Gd émets 8.0 MeV  100 tons de GdCl 3 (0.2% en masse) donnerait >90% captures sur le Gd Coût est devenu accessible 3$/kg Test sur le prototype K2K 1kT: Ok et en refaire avec un container en inox comme SK Le Potentiel de Physique ↗ Beacom & Vagins Phys. Rev. Lett., 93:171101, 2004 Super-K III

3 Les succès passés Anomalie Solaire des neutrinos résolue Détection de SN-1987A (Nobel Koshiba) Découverte des osc. neutrinos ATM Atmospheric neutrino tan 2   m 2 (x10 -5 ) 01 All astronomy SNO

4 JE Campagne Branville 06 Désintégration du Proton p  e +  0 p  K +  Une Borne Supérieure existe venant du secteur de GAUGE (d=6) Indépendante du modèle I. Dorsner, P. F. Perez PLB 625 (05) 88 Un modèle spécifique donne/peut donner une valeur accessible Il est assez difficile et non naturel d’annuler tous les canaux de désintégration simultanément  + meson ↔ charged lepton + meson

5 Résultats actuels pour le proton

6 p  e +  0 20Mt.y free proton decay SK-I 2020 400kt.y   /B ~ 2.0 10 34 yrs x3

7 p  K +   Bkgd H20H208.6%3/Mt.y H 2 0 : K + sous le seuil Č Imaging/Timing K + →        avec ou sans   →   prompt (6MeV) tag 16 O→νK +15 N , K + →  + ν e + νν 236MeV/c6 – 10 MeV 2020 400kt.y   /B ~ 4.0 10 33 yrs

8 JE Campagne Branville 06 Les traces* de Supernova Détection de avec z ≲ 1 Flux ∝ tte SN(z) dont celles donnant un Trou Noir *:Diffuse/Relic Supernova Neutrinos (DSN)

9 Limite actuelle ~ détection? GALEX (1+z) 2.5 z<1 (1+Z) 0.5 z>1 Astrophys.J. 619 (2005) L47 Les oscillations (LMA) augmente quelque peu le flux E>30MeV E > 11.3 MeVE > 19.3MeV 5.1 cm -2 s -1 1.2 cm -2 s -1 SK limit (90% C.L.) SK-I upper limit Ando’s talk NNN05 Inv.   e atm SK Sum bkgd Réacteur + Sun Formation Etoile Supernova Phys. Rev. Lett 90, 061101 (2003)

10 Gadolinium + ⇒ capture neutron  e  T(p: 2MeV  ~ 200  s  T(Gd: 8MeV  ~ 20  s 30% PMT couverture Nakahata+Vagins @ NNN05 (1Mtx5y) Sans n-tagging Avec n-tagging DSRN SK limit Ando 03 Inv.  SK-III → 2020 300kt.an 15 Signal/15 Bg

11 Mesure des paramètres d’émission de par les SN SN 1987A (KAM-II,IMB) DSN (SK) DSN 5yrs SK-Gd Yukse, Ando Beacom astro-ph/0509297

12 JE Campagne Branville 06 Explosion de SN II Neutrinos several hours before light Early lightcurve of SN1987A

13 Les taux de comptage e burst e cc  e cc H 2 0 22kt ~1 ≳ 6000 p >> 16 0 8M ʘ 10kpc e  e    1s10s0.1s

14 JE Campagne Branville 06 Oscillations des octant de  23  13  CP ? Échelle de masse 11 + Hiérarchie de masse

15 Faisceau  conventionnel ( pion decay) Puissance du faisceau de Proton: 0.4 → 0.8 MW Off-axis technique: intense à énergie étroite et plus pure Ajustem t L/E au maximum oscillation (L/E~ 500 Km/GeV) 012 Flux  (arbitrary unit)  =2 o 2.5 o 3o3o  =0 o T2K E (GeV) JPARC beam: T2K (2009) (0.4% e ), L=295 Km NuMI off-axis: NO A (2012 ?) Pas encore approuvé (0.5-1% e ) L=810 Km, ~0.4MW T2K: Tokai to Kamioka

16 T2K : détecteur proche OffA (280 m) Dans l’aimant de UA1: 3 gdes TPC (2x2x1m 3 ): Proposition détecteurr Micromegas (Dapnia) Electronique, o(100K) canaux, SCA chip, front-end (Dapnia), back-end (LPNHE) On-axis détecteur (LLR) Serial Interface Trig ger CKCK In Test 512 cells SCA FILTE R Tpeak;G ain CSACSA 1 chann el X64X64 BUF FER SLOW CONTROL TE ST SCA MANAGER StopCKCK AD C Asic T2K GAI N Micromegas end plate for TPC Test réussi au CERN

17  m 2 31 | et sin 2  23 « paramètres atmosphériques » sin 2  23  m 2 31 (10 -3 eV 2 ) Paramétres actuels

18 P. Huber et al. hep-ph/0601266  13 : évolution de la sensibilité effet de  CP Détecteur proche ?

19  13 -  CP 1.64 σ (90% C.L.) 3 σ (99.73% C.L.) ◆ true value T2K vs Double-CHOOZ Expérience Réacteur (2 détecteurs en 2008) Si sin 2 2θ 13 = 0.08 (~ Limite de CHOOZ)  m 2 = 2.0 10 -3 eV 2 sin 2 2  13  CP (deg.) sin 2 2  13

20 Le besoin d’une nouvelle génération d’expériences… Violation du nbre Baryonique Désintégration du Nucléon Astroparticle Mécanisme d’implosion gravitationelle SN Galactique Formation d’Etoiles au début de l’Univers Fond diffus des SN Recherche Phénomène violent ds l’Univers Trigger SN  Dark matter & Source astrophysique Muons entrants Propriétés des Neutrinos LBL -  Atm. -, SN -, Processus de fusion thermonucléaire Solar - Compréhension de la Terre Geo -, U, Th,K - Encore beaucoup de sujets à traiter…

21 70m 20m Muon veto 100m 30m 2x (48m x 54m x 250m) 65m 80m MEMPHYS Les détecteurs envisagés… NNN série de Workshops Č erenkov à Eau >500kT Argon Liq. →100kT Scintillateur Liq. →50kT HyperK UNO Glacier LENA Aussois 05, Seattle 06, Hamamatsu 07 European Large Scale Underground Detector: EL SUD MEgaton Mass PHYSics

22 Un grand laboratoire au Fréjus pour MEMPHYS ? Coût estimé 1 cavité stabilisée ≈ 80 M€ Equipé de 80,000 PMTs 12’’ ≈ 80 M€ Résultat d’une étude préliminaire par la Société SETEC (constructeur du tunnel) Tunnel de Sécurité: mars 2006 8.20m Comité de Sécurité Franco-Italien 21 avril 2006 8.00m “utiles” par la Commission Inter- Gouvernementale Franco-Italienne Le LSM dans sa forme actuelle 65m SK 65m 3 puits = 440kT fid.,1 puits = 4xSK

23 p  e +  0 20Mt.y free proton decay H20H20 Prenant pour hypothèse une reconstruction et identification parfaite, et  5% sur l’échelle absolue d’énergie Bdf 1/Mty et 45% efficacité Les effets nucléaires dominent la perte d’efficacité LAr 1-10ans H 2 0 10ans SK-I SK-III 2020 Analyse SK Avec/Sans Cuts sévères ~5Mt.y x-over

24 p  K +  H 2 0 10ans LAr 1-10ans Scint. Liq 10ans  Bkgd H 2 0 (*) 8.6%3/Mt.y Scint. Liq.65%<1/Mt.y LAr97%<1/Mt.y *: SK analysis Scint. Liq: K + seul suffit Timing du decay 12ns LAr: K + seul suffit dEdx vs Length Kinetic E dE/dx p K  SK-III 2020

25 Pas du tout exhaustif ni pour les canaux du proton ni pour ceux du neutron: Groupe de travail requis !!! Résumé proton decay LAr H 2 0 Liq. Scint K+K+ e+ 0e+ 0 M-Theory (G2) 2-steps Non SUSY SO(10) Minimal realistic Non SUSY SU(5) Minimal realistic Non SUSY SU(5) Minimal SUSY SU(5) SUSY SO(10) 10 H + 126 H P.F.Perez

26 Futur DSN:  e et e complémentarité 10yrs (440kT.y) [ 9.5 – 30] MeV ~ (40 – 260*)Sig / 20 BG L. Oberaeur @ Venice06  e 60-150* Sig/65 BG [15-30]MeV (1Mt.y) LENA *: at SK limit E window 1030 MEMPHYS+Gd e + 40 Ar → 40 K* +e  GLACIER 5yrs (500kT.y) [16-40] MeV: 57* Sig / 26BG No inv.  BG LAr e

27 Si burn e burst e cc  e cc x e ES x e ES H 2 0 0.4Mt 2-10 With Gd 15 100 p >> 16 0 3- Sci Liq 50kt 85 9 p >> 12 C 0,6 10 p >> 12 C LAr 100kt 38024-311-21,330  8M ʘ 10kpc x10 3 Explosion de SN II

28 Bouffée juste avant l’opacité e (~ 25 ms après le rebond ) I.H. N.H sin 2  13 = N=110 N=182 H20H20 e,x  e - → e,x  e - (ES) I.H. (N.H. sin 2  13 ≲ 10 -5 ) N=86 N.H. Sin 2  13 >10 -3 N=41 LAr e  Ar → e - K * (CC) Possibilité de sonder de la physique non standard Resonant Spin Flavor transitions [E.Akhmedov et al., hep-ph/0310119] Neutrino Decay [S.Ando, hep-ph/0405200] Possibilité de voir s’il y a une fraction de  e non standard (H 2 0) + NC

29 Hierarchysin 2  13 e neutronization Peak Shock waveEarth effect Normale ≳ 10 -3 Absent e  e e  (delayed) Inverse ≳ 10 -3 Present  e e  e (delayed) - ≲ 10 -5 Present e  e En Exploitant ces signatures complémentaires, on peut extraire des informations sur la hiérarchie des neutrinos et  13 Spectre Energie en fonction du temps: Burst + Shock Wave +Terre Étude de  13 paramètre des oscillations + Hiérarchie de masse via les effets de matière (SN + Terre) A. Mirizzi @ LPNHE 17/2/06

30 Le CERN est à 130km du Fréjus… Accroissement par 10 Puissance: 4MW (EU,Japan) ( R&D Cible+Colection pour NuFact) Masse détecteur Projets T2HK (“phase II”)Japan0.6 GeV295 Km SPL-MEMPHYSEurope0.3 GeV130 Km NuMI-SuperNOvAUS8 GeV810 Km Super Beam Courtesy of Mats Lindroos option grand Des études plus approfondies sont requises pour option grand  Ion production Acceleration source EURISOL EURISOL design study Nouvelles idées Faisceau monocromatique : Burget et al. Production des ions: C. Rubbia et al. Beta Beam SPS  ~100 0.35 GeV130 KmMEMPHYS SPS (max energy)  ~150 0.6 GeV300 Km? Tevatron or S-SPS  ~350 1.5 GeV730 KmGS/Canfranc LHC  ~1500 7 GeV3000 KmCanarias faisabilité SPL

31 SUPERBEAM BETABEAM  → e e →    →  e  e →    Super Beam +  Beam + MEMPHYS 2 façons de tester CP, T and CPT : redondance et outils pour contrôler les systématiques 2 beams 1 detector 2 → 5yrs 8yrs 5yrs pure4 flavours + K     6 He 18 Nd  107k  81k  e (  =100) 101k e (  =100) 144k 4Mt.y Thése A. Cazes

32  m 2 31 | et sin 2  23 « atmospheric parameters » JECampagne, M. Maltoni, M.Mezzetto, Th. Schwetz hep-ph/0603172 T2HK E ~ 750MeV SPL E ~ 300MeV (Fermi motion limitation) précision area! MEMPHYS

33  13 ≠ 0 Band: 2%→5% syst BB: 5+5y SPL: 2+8y T2HK: 2+8y all: 440kT fid. mass ou 5ans en combinant SPL (  ) + BB( e ) sin 2 2   < 4 10 -3 en 10 ans 10y 33  23 =45° Les systématiques dominent SB: connaissance du faisceau SB et BB: x-section, eff./Bgd (NF: effet de matière, eff./Bgd) En étude au sein de l’ISS/BENE Test de CP JECampagne, M. Maltoni, M.Mezzetto, Th. Schwetz hep-ph/0603172

34 Hiérarchie: Synergie  B, SPL et ATM JECampagne, M. Maltoni, M.Mezzetto, Th. Schwetz ATM: atmosph. 4.4Mt.y : LBL alone : LBL + ATM Contrairement à Donini et al. statement ATM

35 Dégénérescences… Informations à différentes « baseline » et/ou énergie (second maximum, angle diff. OA) Utilisation d’autres canaux ( e →  ) Information spectrale (Faisceau large bande) Utilsation de   venant des réacteurs Combinaison LBL et atmosphériques

36 Utilisation des e et  + ATMosphérique  MEMPHYS BB: 5y ( e ) SPL: 5y (  ) ATM: 5y MEMPHYS 440kT fid. mass Reste un clone de mauvaise hiérarchie avec    O:  23 Octant H: sign |  m 2 31 | JECampagne, M. Maltoni, M.Mezzetto, Th. Schwetz hep-ph/0603172

37 Si on utilise les et  durant 10ans BB: 5+5y SPL: 2+8y T2HK: 2+8y all: 440kT fid. mass sin 2  23 =0.6 O:  23 Octant H: sign |  m 2 31 | JECampagne, M. Maltoni, M.Mezzetto, Th. Schwetz hep-ph/0603172

38 Contexte Discussions: Physique, R&D, Stratégie…  GDR neutrino  Int. Scoping Study qui se termine en août 06  Cadre défini par le Cern Strategic Group ?  NuFact workshops: Irvine en 2006  NNN workshops: Seattle en 2006 Demande de Fonds  ANR: LAL-IPNO-LAPP-Photonis  France-Japon: échanges KEK-ICRR & LAL-IPNO-Dapnia  APPEC/ASPERA: « EL SUD » initiative commune LAr, Scintillateur, W Č pour coordonner les efforts de R&D

39 The 3 technologies have complementarity Physics and common R&D Start structure for FP7, connection with ILIAS…  Networking activities  A1) Physics potential of Large Deep Underground experiments in both non- accelerator and accelerator sectors, interdisciplinary aspects (geoneutrinos)  A2) Underground Laboratories for very large detectors : best strategies for excavation, access and equipments (ventilation, air-conditioning, power supply, low background environment, etc.),  A3) Safety optimisation in Very Large Underground Facilities  A4) Interdisciplinary aspects of the facility  Joint Research Activities  B1) Development of low-cost photo-sensors for Cerenkov and scintillation processes in optical and DUV regions, of different types (vacuum or gaseous, in connection with industry)  B2) Development of solutions for low-cost readout electronic for a large number of channels  B3) Development of large scale liquid production and purification systems  B4) Technical feasibility and safety of large underground liquid containers (tanker)  B5) Site definition and local studies for large scale caverns with large underground apparatuses (rock/salt quality, access requirements, ventilation systems, power supply, …)  Networking activities  A1) Physics potential of Large Deep Underground experiments in both non- accelerator and accelerator sectors, interdisciplinary aspects (geoneutrinos)  A2) Underground Laboratories for very large detectors : best strategies for excavation, access and equipments (ventilation, air-conditioning, power supply, low background environment, etc.),  A3) Safety optimisation in Very Large Underground Facilities  A4) Interdisciplinary aspects of the facility  Joint Research Activities  B1) Development of low-cost photo-sensors for Cerenkov and scintillation processes in optical and DUV regions, of different types (vacuum or gaseous, in connection with industry)  B2) Development of solutions for low-cost readout electronic for a large number of channels  B3) Development of large scale liquid production and purification systems  B4) Technical feasibility and safety of large underground liquid containers (tanker)  B5) Site definition and local studies for large scale caverns with large underground apparatuses (rock/salt quality, access requirements, ventilation systems, power supply, …)

40 BACKUP

41 The Japanese and US projects: HK and UNO (strong collaboration between the 3 WC projects, in NNN and beyond) Toshibora Mine (900 mwe)Toshibora Mine (900 mwe) FV 540 ktonsFV 540 ktons Cavern study performedCavern study performed Photodetector R&D on-goingPhotodetector R&D on-going Long baseline T2K superbeam (CP-violation)Long baseline T2K superbeam (CP-violation) Decision following results from T2K-Phase 1 (2013-2022 ?)Decision following results from T2K-Phase 1 (2013-2022 ?) 2x (48m x 54m x 250m) Henderson Mine (4000 mwe, one of the 2 DUSEL sites )Henderson Mine (4000 mwe, one of the 2 DUSEL sites ) FV 440 ktonsFV 440 ktons Cavern study to be doneCavern study to be done Photodetector R&D on-goingPhotodetector R&D on-going Long baseline from BNLLong baseline from BNL In the NSF processIn the NSF process

42 Les détecteurs Čerenkov à Eau dans le monde UNO (USA)HK (Japon)MEMPHYS (EU) Laboratoire lieuHenderson/HomestakeTochiboraFréjus prof. Mwe4500/480015004800 LBL(km)1480÷2760/1280÷2530290130 Dimsensions du détecteurs type3 cubes 2 tunnels de 5 compartiments 3 à 5 puits dimension60x60x60m 3  43m x L:50m  65m x L:65m M fid. Kt440550440 à 730 Photodetecteurs type20’’ PMT20’’ H(A)PD12’’ PMT # 38000 (milieu) 2 x 9500 (coté) 20,000 par compartiment 81,000 par puit Couverture40%/10% (milieu/coté)40%30% Coût estimé… 500M$500 Oku ¥ 161M€ x #puits +100M€ infra. 50% excavation + 50% Photodetection

43 Low Energy Neutrino Astrophysics (LENA) en Europe ou HSD au USA Muon veto 100m 30m Conceptual design for a large (45 kT) Estimated light yield ~ 110 pe / MeV 12,000 8“ PMTs baseline + light concentrators (a la SNO/Borexino) Expertise from BOREXINO Rough cost estimate 200M€ (wo cavity excavation and purification systems) L. Oberauer Challange: get the same Radioprurity as Borexino but in 45kT detector

44 Argon Liquide TPC Time Drift direction E drift Charge readout planes: Q UV Scintillation Light 128nm 40,000 photons/MeV Charge yield ~ 6000 electrons/mm (~ 1 fC/mm) Low noise Q-amplifier Drift electron lifetime: Purity < 0.1ppb O 2 -equiv. Drift velocity ≈ 2 mm/µs @ 1 kV/cm Continuous waveform recording  image T0 dE/dx R&D Cerenkov L

45 LAr Tentative layout of a large magnetized GLACIER Cathode (- HV) E-field Extraction grid Charge readout plane UV & Cerenkov light readout PMTs and field shaping electrodes E≈ 1 kV/cm E ≈ 3 kV/cm GAr B-field B≈ 0.1  1 T LHe Cooling: Thermosiphon principle + thermal shield=LAr (Magnetized is also been considered) 20m LNG = Liquefied Natural Gas Amplification (NEW) Rough cost estimate 400M€ with Tank 100% contingency (10kT => 100M€) A.Rubbia 2ans de remplissage Production Locale 150t/j 25-30MW – 45M€ Par jour 29,000Là Recondenser + purifier

46 LAr R&D pour GLACIER: beaucoup de choses… A. Badertscher @ BENE-ISS-KEK Jan06

47  e+ e+ e+ e+  H20H20 Imaging… 10 34 K+ µ+ e+ ICARUS T600 Event LAr Seuil en énergie: H 2 0 seuil Č: ~1.07GeV:p, ~570MeV: K ±, ~120MeV:  ±,~0.6MeV:e ± LENA ~(200÷300)keV (100pe/Mev) LAr few 100 keV Résolution: LENA/GLACIER mieux J. Argyriades PhD  0 invariant mass (ATM ) 1-ring vertex ~10cm Ring-direction ~ 1°  E ~10%/√E (45% Solar ) Absolute E scale @ 3%

48 Timing… 16 O→νK +15 N , K + →  + ν e + νν 236MeV/c6 – 10 MeV H 2 0 Scint.Liq. K + decay (18ns) t0 Nbre de PMTs ns Nbre de PMTs K prod ATM Pulse shape analysis All: Autotrigger capability LAr n’a pas de possibilité (1  s)

49 Identification de particules ee Particle ID : 99% 1-ring , e H 2 0 Voir des traces de faible énergie (sous le seuil Cerenkov) Ex. recul de proton QE  km  Neural Net: dEdx + Length Protons efficiency >99% Kaons mis-id as protons <1% Pions/muons cc 1% Seuil Cerenkov Kinetic E dE/dx p K  LAr Timing  decay (e/  sep.) e/  /p recul à basse énergie n Id via capture  TOF pour « point like event » Scin. Liq.

50 LENA (50kT) @ Pyhäsalmi: ~ 1500 events Signal / year Geo-neutrinos (LENA) KamLAND Reactor at Kamioka 13 C( ,n) 16 0 232 Th 238 U  produced by 210 Po from 210 Pb ( 222 Rn): 10 -17 g/g in KamLAND… S = 25 ±18 BG=127 ±13 Background reduction ? Reactor: ~1/20 Ok

51 Calendrier … Year 2005 2010 2015 2020 Safety tunnel Excavation Lab cavity Excavation P.S Study detector PM R&DPMT production Det.preparation InstallationOutside lab. P-decay, SN Construction Superbeam Beta beam Construction decision for cavity digging decision for CERN SPL construction decision for EURISOL site at CERN

52 H20H20 LENA e NC → 40 Ar* (Q=1.46MeV)380 x,  x NC ( 40 Ar) 30k e + 40 Ar → 40 K* + e - (Q= 1.5MeV) 24k-31k x,  x NC (e - ES) 1,3k  e + 40 Ar → 40 Cl* + e + (Q= 7.48MeV) 540 Burst GLACIER 10kpc

53 Quoi faire avec autant de SN  SN trigger  GALEX + SN formation ⇒ 1 SN/an D<10 Mpc H20 450kT [18-30MeV]: 4.5/(Mpc) 2 et 0.4BG/jour H20+Gd 240kT [12-38MeV]: 4.5/(Mpc) 2 et 0.3BG/jour  Or 9 ont été découvertes D<10 Mpc en 3 ans (x3 la prédiction)… 2 events  t < 10s (pas de BG) ⇒ ALERTE SN SN via Optique ⇒ si  t < 10s 1 event ⇒ ALERTE confirmée  En coïncidence avec GW, si possible ⇒ sensibilité m ~ 1eV Phase Si → Fer si D<2kpc : demande n-capture Neutronisation burst : prédiction robuste, détection mieux avec GLACIER SN direction:  ES e- 2° →0.6° (H 2 0 + Gd), 1° (LAr)  Beta Inverse: le neutron garde une mémoire 9° (Scint. Liq.) Astropart.Phys.21:201-221,2004

54 T2K Upstream of Linac Tunnel 1 MW proton beam 10 21 POT per year Far detector Super-Kamiokande ν μ disappearance, ν e appearance θ 13 Data taking: 2009 SK-III

55 T2K: hypothèse sur la puissance du faisceau

56  12 =3° (99%CL) VERY PRELIMINARY

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