GDR Neutrino Compte rendu d’activités du groupe GT1 (détermination des paramètres du neutrino) Thierry Lasserre (CEA/Saclay & APC) Dominique Duscheneau.

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1 GDR Neutrino Compte rendu d’activités du groupe GT1 (détermination des paramètres du neutrino) Thierry Lasserre (CEA/Saclay & APC) Dominique Duscheneau (LAPP) LAL Orsay 10-11 Juin 2005

2 Th. Lasserre - GDR neutrino [  m 2 21 -  12 ] – [  m 2 32 -  23 ] – signe(  m 2 32 ) -  13 -  Superfaisceaux + réacteurs @1-2 km + Usines à faisceaux β sin 2 (2  13 )<0.15 (CHOOZ)   13 ? (petit angle) Hierarchie de masse  signe(  m 2 32 ) ? Violation CP  phase  ? solaires + KamLAND + réacteur @ 80 km MSW-LMA  m 2 12 ~O(10 -4/-5 ) eV 2 sin 2 (2  12 )~0.8 (grand angle) atmospheriques + K2K + MINOS & Superfaisceaux  m 2 32 ~2-3 10 -3 eV 2 sin 2 (2  23 )~1 (angle maxi ?) Mais pas d’échelle de masse absolue avec les oscillations -->  &  0 ? Rappel des paramètres à mesurer

3 Th. Lasserre - GDR neutrino Ce groupe de travail s’articule autour des diverses approches expérimentales afin de déterminer les paramètres des neutrinos. Les objectifs de ce groupe sont de: Favoriser les échanges d’informations entre les diverses équipes françaises engagées sur des expériences neutrinos au travers de brèves présentations et de ‘status report’ lors des rencontres :  NEMO (nature du neutrino et échelle de masse absolue) ;  Borexino et KamLAND (secteur « solaire »,  m 2 21 et  12 ) ;  OPERA, MINOS, et K2K (secteur « atmosphérique », légère amélioration de notre connaissance de l’angle de mélange  13 ) ;  Double Chooz (amélioration de notre connaissance de l’angle de mélange  13 ) ;  T2K (amélioration des paramètres atmosphériques  m 2 32 et  23, et de notre connaissance de l’angle de mélange  13 – phase préliminaire de mesure de la phase  ) ;  Impliquer des théoriciens & phénoménologues dans certains aspects pouvant amener une avancée dans les résultats expérimentaux (ex : calcul d’éléments de matrice nucléaire pour la double bêta, modèles prédisant la structure de la matrice PMNS, modèle de masses des neutrinos, flux des réacteurs, section efficaces) Programme du groupe GT1

4 Th. Lasserre - GDR neutrino  Étape 1 : Confirmation des oscillations, mesures de  m atm 2 et  13, et panorama actuel en double bêta. Synthèse des connaissances actuelles de la matrice PMNS. Revue des expériences impliquant les groupes français et discussion des méthodes d’extraction des paramètres des données : Némo, K2K, CNGS/OPERA, Borexino, KamLAND, MINOS, Double Chooz, T2K … Les étapes envisagées  Étape 2 : Vers la détermination de  13 (si sin 2 (2  13 )<0,01), de la hiérarchie de masse, et de l’échelle de masse absolue. Les projets et leurs potentiels : prochaine génération de manip double bêta, T2K et autres super faisceaux, faisceaux bêta, deuxième génération de manip réacteur, usine à neutrino …  Étape 3 : Quelles expériences & combinaisons d’expériences pour extraire les paramètres des neutrinos et particulièrement la phase  (partenariat avec les autres groupes de travail). Complémentarité et synergies des projets : double bêta, accélérateurs, réacteurs, et utilisant les sources naturelles de neutrinos.  Implications des groupes français?  Recommandations

5 Th. Lasserre - GDR neutrino  Confirmation des oscillations, mesures de  m atm 2 et  13, et panorama actuel en ββ0 Etape 1 Secteur atmosphérique : - non accélérateur : K/SK, MACRO, Soudan - accélérateur : K2K, MINOS Secteur solaire : - solaire : SNO, K/SK, Gallex/GNO, SAGE, Homestake - réacteur : KamLAND Interventions GT1: - Revue sur la ββ0 et l’après Nemo3 (C. Augier, Juin 05, IPN Orsay) - Bilan des connaissances de la matrice MNSP Septembre 05, IPN Lyon)

6 Th. Lasserre - GDR neutrino  Synthèse des connaissances actuelles de la matrice PMNS. Interventions GT1: - Present and future challenges in neutrino oscillations (T. Schwetz, Octobre 05, APC) Sterile and the LSND experiment and mixing matrix parameter determination Nouveau résultat de MINOS Limite supérieure (CHOOZ) Etape 1

7 Th. Lasserre - GDR neutrino  Revue des expériences impliquant les groupes français et discussion des méthodes d’extraction des paramètres des données :  Nemo et Super-Nemo  L. Simard, 14-15/03/05 au CPPM  C. Augier, 13-14/06/05 IPN Orsay  CNGS/OPERA :  D. Duchesneau, 14-15/03/05 au CPPM  MINOS  A. Cabrera, 2-3/02/06 IRES  A. Sousa, 10-11/05/06, LAL  Double Chooz  D. Motta, 14-15/03/05 au CPPM  A. Cabrera, 19-20/09/05 IPN Lyon  K2K  J. Argyriades, 2-3/02/06 IRES  T2K  J. Bouchez & D. Autiero (LAr), 14-15/03/05 au CPPM  M. Fechner, 13-14/06/05 IPN Orsay  A. Rubbia (Lar), 19-20/09/05 IPN Lyon A venir : Borexino & KamLAND Etape 1

8 Th. Lasserre - GDR neutrino  Informer la communauté du GDR des derniers résultats dans le domaine des  Présentation d’expériences en cours, mais sans implications françaises (actuelle)  Résultats finaux de K2K : J. Argyriades, 2-3/02/06 IRES  Résultats de MINOS : Alexandre Sousa, 10-11/05/06 au LAL  L’expérience ββ0 GERDA: S. Schoenert, 10-11/05/06 au LAL Etape 1

9 Th. Lasserre - GDR neutrino In this talk we have presented the first accelerator neutrino oscillation results from a 0.93  10 20 POT exposure of the MINOS far detector. Our result disfavours no disappearance at 5  and is consistent with oscillations with the following parameters: The systematic uncertainties on this measurement are well under control and we should be able to make significant improvements in precision with a larger dataset. –Our total exposure to date is 1.4  10 20 POT. Résultats de MINOS Alexandre Sousa, 10-11/05/06 au LAL

10 Th. Lasserre - GDR neutrino  Discussion et éventuellement harmonisation des méthodes statistiques utilisées pour prédire les potentiels des expériences.  réalisation de comparaisons transparentes des différentes expériences,  étude de la complémentarité des différents programmes  proposition des méthodes/scénarios de combinaison des résultats.  Interventions GT1 : - Mesure de  13 au CNGS (OPERA & ICARUS) par D. Duchesneau, 13-14/06/05 Orsay Interventions GT5 en liens avec GT1 : - GLoBES: M. Rolinec, 20-21/10/05 APC Actions transverses aux expériences  Synthèse de la connaissance des paramètres d'oscillation atmosphérique et solaire, attendue dans les projets en cours ou à venir (KamLAND, Minos, Mini Boone, K2K…) en prenant en compte les incertitudes sur les paramètres mesurés et corrélations et dégénérescence entre  13, phase CP, hiérarchie de masse …  pas encore de consensus si l’on en juge des présentations données par les différents orateurs du GDR …

11 Th. Lasserre - GDR neutrino Potentiel de découverte (3  ) + Limite si pas de signal (90% C.L., 3  ) Vers une prescription ? + bi-plots ajustement des deux paramètres : sin2(2  13 ) vs CP- 

12 Th. Lasserre - GDR neutrino Etape 2  La détermination de la nature du neutrino (Majorana ou Dirac), et l’échelle de masse absolue (mesure d’une masse effective de l’ordre de 30 meV)  Présentation de l’état des lieux des expériences en cours et à venir (Super-Némo & GERDA), mais il faudrait élargir le spectre des expériences présentées au GDR  Recherche de la valeur de l’angle de mélange  13 si celle-ci échappe à Double Chooz & T2K, ou équivalents  Détermination de la hiérarchie de masse par mesure des effets de matière  Recherche de mise en évidence de la violation de CP dans le secteur leptonique  Quelle stratégie en Europe par rapport à celle du Japon et des US Y.Declais, 14-15/03/05 au CPPM  International Scoping Study of a future Accelerator neutrino Complex L. Mosca, 13-14/06/05 IPN Orsay  NNN05 et discussion autour du projet Mégatonne Alain De Bellefon, 13-14/06/05 IPN Orsay  International Scoping Study of a future Accelerator neutrino Complex Alain Blondel, 19-20/09/05 IPN Lyon  Pas de présentation dédiées aux effets de matière : NOVA?

13 Th. Lasserre - GDR neutrino Ces travaux nécessiteront des synthèses d’articles et d’avis d ’experts, éventuellement d’effectuer des simulations, des études de performances. Il faudra collaborer avec les groupes internationaux déjà impliqués dans ces activités. Elles concernent :  La prochaine génération d’expériences double bêta sans neutrino;  Les projets sur accélérateur avec des faisceaux de neutrinos de haute intensité (« super faisceau », « faisceau bêta », « usine à neutrinos ») ;  les projets d’expérience de réacteur de 2 ème génération ;  Les projets utilisant des sources naturelles de neutrinos (atmosphérique, solaire, supernovae, …) ; Pour ces trois dernières thématiques à moyen et long terme, les détecteurs proposés comptent :  Les détecteurs Tcherenkov à eau d’une masse de quelques centaines de kilotonnes à une mégatonne ;  Les détecteurs à argon liquide de seconde génération (100 kilotonnes), le détecteur magnétisé d’une cinquantaine de kilotonnes pour l’usine à neutrino);  Les détecteurs à liquide scintillant de prochaine génération, d’une masse d’environ 50 kilotonnes. Etape 3  Quelles expériences & combinaisons d’expériences pour extraire les paramètres des neutrinos et particulièrement la phase  (partenariat avec les autres groupes de travail). Complémentarité et synergies des projets : double bêta, accélérateurs, réacteurs, et utilisant les sources naturelles de neutrinos.  Implications des groupes français?  Recommandations

14 Th. Lasserre - GDR neutrino  Les performances des projets d’expériences vont dépendre d'un certain nombre d'ingrédients dont la maîtrise des incertitudes est essentielle. Il s'agit par exemple des flux neutrinos accélérateurs & réacteurs, sections efficace d'interaction neutrino en fonction de l'énergie, des machines, etc …  Une contribution importante d'optimisation, de comparaison de modèles devra être réalisée dans le cadre de ce groupe de travail. Il y aura donc une connexion très étroite avec le travail du GT5 (outils). Liens avec les autres GT’s

15 Th. Lasserre - GDR neutrino Intérêt théorique  comprendre les oscillations de neutrinos  sol  13,   atm sin 2 (2θ 13 )  0,15-0,20 (90% C.L) CHOOZ experiment sin 2 (2θ atm ) ~ 1 Atmopsheric experiments sin 2 (2θ sol ) ~ 0,8 Solar & Reactor experiments Intérêt stratégique  définition du programme expérimental pour rechercher la violation de CP dans le secteur des leptons liée à l’asymétrie matière-antimatière dans l’Univers ? 3 angles de mélange & 1 phase CP à mesurer Exemple: recherche de la valeur de  13 Lien avec intervention GT2 - Neutrino mass models and theta_13: F. Feruglio, 20-21/10/05 APC

16 Th. Lasserre - GDR neutrino Conclusions & perspectives Autres thème de physique à développer :  Liens avec d’autres GT’s  La diffusion cohérente des neutrinos  Le moment magnétique du neutrino  … Les 3 étapes :  Etape 1 :  objectifs atteints  rythme de croisière: évolutions des manips à suivre  Présentations Borexino & KamLAND à venir ?  Etape 2 :  en cours  Présentation Nova (hierarchie de masse), Panorama réacteurs (Daya Bay, Kaska, Reno, Double Chooz …)  Etape 3 : pas vraiment commencée Mission de formation du GDR:  « les présentations des jeunes chercheurs seront encouragées »  6 présentations d’étudiants et de post-doc