Les ν Massifs 70 ans pour passer du mythe à la réalité

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1 Les ν Massifs 70 ans pour passer du mythe à la réalité
SuperK 1998 2001 SNO Poltergeist 1934 Fermi Pauli Reines 1931 1956 Yves Déclais , IPNL (CNRS-IN2P3/UCBL)

2 Désintégration nucléaire b
Le problème expérimental du spectre continu e- n Désintégration nucléaire b 60Co Ni + e- + n n p + e- + n ( F. Perrin 1933 ) Crise énergétique n - Energie disponible = Dmnoyaux c2 Stavros Katssanevas

3 M(νe)  2.2 eV mesure directe (Mainz)
M(νe)  2.2 eV CMB data

4 La contribution des ν à la masse de l’univers

5 La boîte à outils sub-nucléaire
Signature de la saveur du ν Saveur du lepton chargé produit par réaction de courant chargé Supersymétrie : unification des lois physiques

6 Il faut 2.3 1021 cm d’eau pour absorber un ν
Interaction Faible Hans Bethe Rudolphe Peierls σ= cm2 l=1/ sr=1019m= 100 milliards de rayons de Terre !!!!!! Évaluation simple de la section efficace (Asimov : une particule fantôme , le neutrino) _ _ n  p e- νe  νe p  e+ n Durée de vie du neutron = 12.8 minutes Temps de réaction  12.8 minutes Parcours du ν : cm (distance terre-mars) Taille du proton : 10-8 atome H Il faut cm d’eau pour absorber un ν ~ 1000 années lumière

7 1956: La détection du νe auprès d’un réacteur nucléaire
_ 1956: La détection du νe auprès d’un réacteur nucléaire F.Reines (Nobel) et C.Cowan Réacteur nucléaire : qq 1018 fissions/sec  6 ν / fission Signal : 3 evts /h S/B ~ 2/1 cible 2x200 l. eau cadmiée scintillateur 3x1400 l.

8 1962 : découverte du νμ sur accélérateur

9 ντ : le dernier de la famille
Beam dump : absorption des mesons π, k Production ντ : désintégration mesons Ds DONUT 2000

10 Soleil : source pure de υe 50% du flux attendu est mesuré sur terre
Le mystère des neutrinos évanescents les ν solaires SNO (Canada) Soleil : source pure de υe 50% du flux attendu est mesuré sur terre ‘photo’ du soleil avec des neutrinos

11 Rmesuré / Rproduction  0.6
Le mystère des neutrinos évanescents ‘photo’ du soleil avec des neutrinos Les ν atmosphériques R = N(νμ) / N(νe) Rproduction  2 Rmesuré / Rproduction  0.6 excès de νe ? disparition de νμ ?

12 Les Oscillations des Neutrinos
Les couleurs comme les particules sont représentées par des ondes jaune orange

13 How mn > 0 results in n oscillation
P.Strolin “visible” q weak mass interactions: “weak” e.s. (ne ,nm ,nt) “Mixed” eigen-states propagation : “mass” e.s. (n1 ,n2 ,n3) Quantum Mechanics weak ® mass ® weak “invisible” nm nm , nt n1 , n2 , n3 p t “baseline” L nt detected, although nm was produced ! Dm2ij nm production  different propagation of ni waves  different ni mixture at detector  not only nm at detector ! M.C. Escher, Metamorphose III ( ), part of a “long baseline” xylograph (19 cm x 680 cm)

14 Le formalisme des oscillations des ν ν atmosphériques
Pdisparition = sin22θ sin2(1.27 Δm2L/Eν) Losc max = .618 Eν(MeV)/Δm2(eV2) ν atmosphériques - réacteurs L ~ 1 km - accélérateurs L ~ 1000 km Stratégie définie en ~1990 ν solaires SuperK, SNO, BOREXINO ν atmosphériques SuperK, K2K, CHOOZ ν intérêt cosmologique CERN : Short baseline ……

15 Motivation : ‘anomalie des ν atmosphériques’
2 réacteurs de puissance en construction ( démarrage prévu : 1996 ) Site idéal site souterrain d = 1km Été 1992 : choix du site lettre d’intention concept du détecteur Équipe de projet PCC/CdF: H. de Kerret, D. Marchand LAPP: Y. Déclais, A. Oriboni

16 La Collaboration Institutions : Soutien :
France : LAPP,Collège de France Russie : Institut Kurchatov, Moscou US : Philadelphie, Albuquerque,Irvine Italie : Pise, Trieste Soutien : IN2P3, INFN, DoE : 10 MF EDF : ~ 8 MF Conseil Général des Ardennes 1993 : Proposition d’expérience Collaboration Montage financier

17 Quel chantier ! 1994 : dossier technique autorisation DRIRE et DCSIN
1er semestre 1995

18 Les réacteurs nucléaires
Comparaison des spectres d’énergie _ Source de νe intense : ν / Gwth / sec pure : désintégration β dans les fragments de fission basse énergie : L/Eν favorable aux petits Δm2 Flux détecté σ 1.4 % Flux produit Comparaison du flux total Spectre d’énergie des neutrinos

19 Concept du Détecteur _ _ Détection du νe désintégration β inverse
νe p  e+ + n seuil de la réaction : 1.8 MeV signature : coïncidence retardée signal e+ et signal capture neutron cible : H (hydrocarbure) capture neutron : - Hydrogène : n p  d γ (2.2 MeV) - Gadolinium : désexcitation Gd*  Σ Eγ (8 MeV) _ Volume fiduciel capture neutron sur Gd Bruit de fond corrélé : neutrons rapides réactions de spallation avec les μ cosmiques accidentel : - radioactivité naturelle des matériaux - réactions α n dans les roches (et production de γ par capture neutron)

20 Bruit de fond : quelques éléments comparatifs
evts / m3 /jour distance fond signal S/B Bugey I m Bugey II m Bugey III m CHOOZ m

21 Vue éclatée du détecteur
Automne 1995

22 Photomultiplicateurs
Montage des Photomultiplicateurs Zone externe Veto Cosmique Automne 1995

23 Hall avant l’installation du blindage d’acier
Hiver 1995 Salle d’électronique Cuve du détecteur dans son puits

24 L’usine de préparation du scintillateur liquide (150 m3)
Février 1996

25 Performances du détecteur
Réponse à une source ponctuelle de neutrons Energie de capture reconstruite dans toute la cible pour l’ensemble des évènements νe _ Énergie de capture Capture sur H Capture sur Gd Reconstruction de la position de la source

26 La sélection des évènements
Critères : distance des PMTs > 30cm temps de capture < 100 μsec Signal retardé : capture neutron Signal retardé : capture neutron Signal prompt : e+ Signal prompt : e+

27 Le signal ν R= 1.01  2.8% (stat)  2.7% (syst) 1997
Corrélation avec la puissance des réacteurs Bruit de fond (P=0) :  0.25 evts/jour Signal (P=8.4 Gwth) : 24.8  evts/jour R= 1.01  2.8% (stat)  2.7% (syst)

28 L’interprétation des résultats
10-1 eV2 Kamiokande _ 10-2 eV2 Probabilité νe νx10% 10-3 eV2

29 1998: la preuve des oscillations
SuperKamiokande υe/υμ varie selon la direction d’observation, donc selon la distance à la source scénario préferré νμντ

30 la clé du puzzle des ν solaires
SNO (Canada) 2001 : la clé du puzzle des ν solaires Soleil : source pure de υe 50% du flux attendu est mesuré sur terre Les neutrinos détectés sont mélangés entre les 3 saveurs Capture sur Deutérium Courant chargé Uniquement νe Diffusion sur e- tous les neutrinos FLUX mesuré 1.75.07 .12 2.32 .03 .08

31 la suite ….. Consolider les résultats : Disparition νμ Mesure Δm2
neutrinos solaires : - KamLAND 2002 - BOREXINO 2003 …. neutrinos atmosphériques : - expériences à longue distance sur accélérateurs K2K : KEK  SuperK (en cours) FermiLab  Soudan (US) 2005 CERN  Gran Sasso Disparition νμ Mesure Δm2 Apparition ντ OPERA

32 supermodule ~ 10 m n brique 8 cm (10X0) Détecteur briques module

33 ΘCHOOZ Étudier la matrice de mélange (matrice MNS) Objectifs :
mesurer ΘCHOOZ mesurer les effets de la violation de CP et CPT Asymétrie matière – antimatière ? Moyens faisceaux intenses (protons, ions radioactifs) usine à neutrino (anneau de stockage de muons)

34 Le LHC et la Supersymétrie ?
Comprendre la hiérarchie des masses Le LHC et la Supersymétrie ? Place aux jeunes …..

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