Neutrinos: bref état des lieux et perspectives

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1 Neutrinos: bref état des lieux et perspectives
Ce qu’on a appris Ce qui reste à mesurer Questions à résoudre Les directions envisagées Après une période de résultats extraordinaires, quelle suite? Veyrier du Lac, 3 Octobre 2013 Prospective LAPP

2 Les neutrinos, fermions très spéciaux
masse extrêmement faible, surement < 1 eV/c2 sensibles seulement à l’interaction faible fermions neutres, ils peuvent être leur propre antiparticule (Majorana vs Dirac) états de saveur produits dans les désintégrations faibles comme superposition cohérente de 3 états de masse matrice U de mélange unitaire 3x3 connue sous le nom de matrice PMNS Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata Veyrier du Lac, 3 Octobre 2013 Prospective LAPP

3 Les oscillations de neutrinos
Mesures à grande distance à l’échelle des accélérateurs et des réacteurs, de la planète (n atmosphériques), de la distance au soleil (n solaires) Mesures de disparition ou d’apparition Oscillations observables: masse ET mélange existent et sont accessibles Veyrier du Lac, 3 Octobre 2013 Prospective LAPP

4 Mélange et masses des 3 neutrinos
U: matrice de mélange PMNS Atmospheric Sub-leading Solar Dominance: Probabilité d’oscillation: 3 angles, 2 différences de masse, 1 phase de violation CP à déterminer Malgré de grands progrès expérimentaux, les propriétés des neutrinos sont moins bien testées que celles des quarks et des leptons chargés. Il y a encore de nombreuses inconnues. Veyrier du Lac, 3 Octobre 2013 Prospective LAPP

5 Une moisson de résultats en 15 ans
Atmospheric sector Super-Kamiokande MINOS OPERA Solar sector Accélérateurs Borexino SNO Réacteurs Subleading sector Veyrier du Lac, 3 Octobre 2013 Prospective LAPP

6 Observation des oscillations par disparition
Super-K SNO ne g ne,m,t Atmospheric n Solar n Depuis 1998 2000 (update) Reactor n (L ~180 km) Minos ne g ne - - NUMI n beam (L ~730 km) Kamland 2005 2008 Update 2013 Veyrier du Lac, 3 Octobre 2013 Prospective LAPP

7 Observation des oscillations par apparition
nm g nt OPERA CNGS n beam (L ~730 km) 2010 1er événement t observé avec t- g pop- Résultats mis à jour en 2013 T2K nm g ne T2K n beam (L ~295 km) 2011 Veyrier du Lac, 3 Octobre 2013 Prospective LAPP

8 Exemple de gerbe d’électron
Situation d’OPERA Dernier run du faisceau CNGS terminé en décembre 2012 Le nombre de protons sur cible (pot) en est de 3.9x1019 pot ce qui fait un total de 18.0x1019 pot depuis 2008 (80% de l’intensité nominale) 1er candidat t- g h- nt 2eme candidat t- g 3h nt Résultats récents d’oscillation: Observation de 3 candidats nt Mesure du taux de ne et contrainte sur l’apparition de ne par oscillation 3eme candidat Exemple de gerbe d’électron Le groupe du LAPP est directement impliqué dans les analyses de ces 2 résultats détection des électrons dans OPERA pour recherche des ne et étude du canal t ge (thèse F. Brunet avec A. Zghiche) étude du canal t g 3 hadrons chargés et analyse du fond charmé associé (P. del Amo Sanchez et D. Duchesneau) Veyrier du Lac, 3 Octobre 2013 Prospective LAPP

9 Fait avéré: les neutrinos oscillent!!
Les neutrinos oscillent, donc ils ont de la masse, contrairement à ce qui était attendu dans le SM (Standard Model) Emprunté à Kate Scholberg Snowmass-2013 Les masses des neutrinos = actuellement la seule évidence de Nouvelle Physique au delà du modèle standard: des degrés de liberté supplémentaires doivent exister, un n droit et/ou une nouvelle échelle L >>TeV Veyrier du Lac, 3 Octobre 2013 Prospective LAPP

10 Questions et pistes pour la NP
Masses: pourquoi les masses des neutrinos sont-elles si petites? pourquoi en ont-ils une? Mélange: pourquoi la matrice PMNS est-elle si différente de celle des quarks? Veyrier du Lac, 3 Octobre 2013 Prospective LAPP

11 Etat des lieux des masses et mélanges
Valeurs Septembre 2013 Résumé Concha Gonzalez-Garcia à TAUP (± 3σ/6) La valeur des 3 angles de mélange est maintenant connue. Les masses ne le sont que relativement à une échelle et une hiérarchie. Échelle de masse ? Veyrier du Lac, 3 Octobre 2013 Prospective LAPP

12 Dernière avancée majeure: mesure de q13
Sur faisceau d’accélérateur: apparition de ne T2K nm g ne _ ne g ne - - Auprès des réacteurs: disparition de ne Veyrier du Lac, 3 Octobre 2013 Prospective LAPP

13 Encore de nombreuses questions fondamentales
Majorana ou Dirac? si Majorana => violation du nombre leptonique, conséquence théorique (leptogénèse, GUT) Echelle absolue des masses? fondamental pour cosmologie, 0.1  0.01 eV Octant de q23 ? Hiérarchie normale ou inversée? Distinguée par effet de matière sur oscillations (long baseline, atmosphériques…) Violation de CP dans les leptons? expériences faisceau long baseline, phase CP dans des termes d’oscillation sous-dominants. Y a-t-il des neutrino stériles et y a-t-il mélange? q13 grand => important pour la mesure de la hiérarchie et pour la recherche de la violation CP Veyrier du Lac, 3 Octobre 2013 Prospective LAPP

14 Sterile neutrinos? Veyrier du Lac, 3 Octobre 2013 Prospective LAPP

15 Solution: des expériences
Veyrier du Lac, 3 Octobre 2013 Prospective LAPP

16 Double Beta Decay Veyrier du Lac, 3 Octobre 2013 Prospective LAPP

17 Double Beta Decay Veyrier du Lac, 3 Octobre 2013 Prospective LAPP

18 Long baseline en Europe
Veyrier du Lac, 3 Octobre 2013 Prospective LAPP

19 Long baseline au Japon Veyrier du Lac, 3 Octobre 2013 Prospective LAPP

20 Argon liquide: LBNO, LBNE-USA
Veyrier du Lac, 3 Octobre 2013 Prospective LAPP

21 Le programme de physique LBNO
Veyrier du Lac, 3 Octobre 2013 Prospective LAPP

22 OPERA (en cours: exploitation / analyse)
Les neutrinos au LAPP longue tradition d’étude des oscillations n sur réacteurs et sur faisceau Chooz Bugey Nomad OPERA (en cours: exploitation / analyse) Les motivations du groupe dans la physique du neutrino et l’expérience acquise l’amène à proposer la poursuite d’activités selon différents axes de recherche: : oscillations CNGS/OPERA; neutrino stériles et anomalies (ILL, STEREO) 2013–2020: Double désintégration béta (LSM, SuperNEMO); Etude de projet Long Baseline (LBNO/LBNx) A long terme (2020 et au delà): expérience Long Baseline (LBNO/LBNx) Veyrier du Lac, 3 Octobre 2013 Prospective LAPP

23 The End