25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 1 Oscillations des Neutrinos Un voyage au...

25 ans du CPPM Oscillation des Neutrinos (Yves Déclais) 1

Oscillations des NeutrinosUn voyage au pays des mystères


1. Quelques rappels• Le neutrino : un lepton pas comme les autres• Les conséquences du postulat de Pauli• Les 3 familles de neutrinos• La quête du neutrino massif

2. Les oscillations du neutrino ou l’étude des anomalies• Formalisme• Synergies avec l’astrophysique

3. Le CPPM et les neutrinos : une kyrielle d’expériences4. L’état de l’art dans le domaine expérimental5. Le guide Michelin de la road map6. Conclusions


Le neutrino un lepton pas comme les autres ?

unification des forces

Interactions: electro-magnétique faible forte gravitationnelle


Energie disponible = mnoyaux

c2

1914: Chadwick observe le spectre d’énergie continu pour l’électron dans la désintégration β

1930: Meitner exclut la présence de photons associés par une expérience calorimétrique

La physique nucléaire des années 20

a) Le spectre continu

b) La structure du noyau : composé de proton et d’électrons

violation du théorème ‘Spin statistics’ pour 14N


Le postulat de Pauli et ses conséquences

Pauli à Walter Baade‘ aujourd’hui j’ai fait quelque chose qu’aucun théoricien ne doit jamais* faire dans sa vie: j’ai prédit quelque chose qui ne sera jamais détecté expérimentalement’

Lettre de Pauli le 4 décembre 1930:‘ … il peut exister dans le noyau des particules électriquement neutres que j’appellerai neutron et qui satisferait le principe d’exclusion … La masse de ce neutron est inférieure à 1% de la masse du proton ‘

•Cette recommendation n’a pas été suivie ! invisible axion

désintégration - : n p + e- +

-


Le modèle des interactions faibles

W+

d u

W+

e-

e-e

e

Z°

e- e-

Courant Neutre Courant Chargé

GFme)2

cm21barn = cm2

λ=1/σρ = 1019 m = 100 milliards de rayons de Terre !!!!!!

Fermi 1934


Observation des 3 familles de neutrinos

1956, F. Reines

1018 fissions/sec 6 ν / fissionSignal : 3 evts /hS/B ~ 2/1

e1962, Lederman, Schwarz, Steinberger

2001, K. NiwaDONUT experiment

1995 : M. Perl Tau lepton discovery

τ


Confirmation du modèle electro-faible

1973 : Découverte des courants neutresA. Lgarrigue au CERN avec Gargamelle

1982 : Découverte du W,ZA. Rubbia au CERN avec UA1


Combien de familles chez les Leptons ?

Années 50 : la nucléosynthèse impose ~3 familles

Super Nova 1987a:• validation du modèle des Supernova• Masse du e < 23 eV• Nombre de famille < 3.5

‘The neutrino emission of SN1987a’R. Schaeffer, Y. Declais, S. JulianCEN-Saclay, CPPM , LAL1987, Nature 300, 142-144

LEP: Largeur du pic du Z0 3 familles actives (couplées au Z0)

Il reste des inconnues : • les neutrinos stériles• les neutrinos lourds


Un neutrino massif pourquoi faire ?

implications cosmologique longtemps la motivation la plus importante

~300 /cm3 en provenance du BigBang

Le neutrino comme composante principale de la masse de l’Univers?

ce n’est plus d’actualité!

Physique fondamentale:

Nécessite l’extension du modèle standard: Super-symétrie ?


Guido Drexlin, Neutrino08


Mesure directe de la masse du neutrino

m < 2.3 eV


Les oscillations des neutrinos ou l’étude des anomalies

jaune orange

0,5)( eeP

L/E

Mécanisme proposé par Pontecorvo en 1957 implique des neutrinos massifs neutrino: état propre de saveur composé d’états propre de masse méthode interférométrique sensible aux très petites différence de masse

m2 en eV2 , L en km, E en GeV

)(1)(

E

L27.1sin2sin)()( 222

2*

eee

ee

PP

mLP

Disparition:

Apparition:


prédiction

L’anomalie (deficit) des neutrinos solaires

1965, R. Davisobservation des solaires

Deficit ?

1992: Gallex & SAGE & KamIIDeficit des solaires confirmé

2001: SNO (Cerenkov D2O)Flux des solaire validé mesure des courants neutres

deux noyaux hydrogène

noyaudeutérium

neutrino

électron

Fusion nucléaire

6 1010 /sec/cm²

Méthode radio-chimique:• Cl Ar ( Davis @ Homestake )• Ga Ge ( Gallex & SAGE ) ‘photo’ du soleil

avec des neutrinos

Détection directeKamiokande

(Cerenkov H2O)


L’anomalies des neutrinos atmosphériques

1988, M. KoshibaAtmospheric neutrinos anomaly

Symétrie ‘up/down’

Rproduction = N(νμ) / N(νe) ~2

Rmesuré / Rproduction 0.6

Étudiés dans Kamiokande comme source de bruit de fond pour la désintégration du proton


Le CPPM et les neutrinos

~15 ans d’activité dans le cadre du programme auprès de la centrale nucléaire du Bugey

Source de νe

• intense : 2 1020 ν / Gwth / sec• pure : désintégration β dans les fragments de fission• basse énergie : L/Eν favorable aux petits Δm2

Spectre d’énergie des neutrinos

σ

Flux produit

Flux détecté

Réaction de capture: désintégration β inverse

Bruit de fond:• fortuites• neutrons rapides (spallation)


Démarrage sur ‘une anomalie’

Bugey1 nouvelle génération par rapport à l’expérience de l’ILL• mesure à 2 distances avec le même détecteur• structures de blindage identique ‘améliorée’ par rapport à l’ILL• observation d’un effet:

Bugey 1

Bugey 2

Spectre d’énergie du bruit de fond

Bugey2 ‘ … étude des biais expérimentaux …’

Thèse M. Talby :

• pas de fond corrélé au réacteur• validation de la modélisation du cœur (Burnup)• réduction du fond: 1/3.8 (suppression du Pb interne) • l’effet observé dans Bugey1 est lié à des variations de l’efficacité des compteurs muons

‘Indication for neutrino oscillation from a high statistics experiment at the Bugey reactor’Cavaignac et al, Phys. Let. B 148 (1984)R18.3/13.6 = 0.907 .014stat .028syst

R18.3/13.6 = 0.993 .021stat .021syst


Un programme d’étude des erreurs systématiques

Objectifs:• mesure à grande distance (40m et 95m) pour améliorer la sensibilité à la distribution en L/E• statistique accrue pour étudier les systématiques:

fond, flux et spectre d’énergie des neutrinos• mesures simultanées à 2 distances• détecteurs identiques et interchangeables

Contributions du CPPM:• ‘end cap’ des modules de détection • DAQ en réseau

cartes pour le readout software DAQ & Slow control

• simulation des spectres réacteur• participation à l’analyse


Des résultats toujours au top … cited

‘Search for neutrino oscillations at 15,40 and 95 meters from a nuclear power reactor at Bugey’B. Achkar et al, Nucl. Phys. B 434 (1995) cited 446 times

‘Compatibility of high-Δm² neutrino oscillation search’The MiniBooNE collaborationarXiv:0805.1764 (13 May 2008)

LSND+KARMEN2+MiniBooNE LSND+KARMEN2+MiniBooNE+ Bugey

~4%~25.4%

Test de l’hypothèse des oscillations entre 2 familles


Une contribution inégalée à l’étude des erreurs sytématiques

‘Comparison of anti-neutrino reactor spectrum models with the Bugey3 measurements’B. Achkar et al, Phys. Lett. B 374 (1996)

‘Study of reactor antineutrino interaction with proton at Bugey nuclear power plantY. Déclais et al, Phys. Lett. B 338 (1994)R = flux mesuré/flux attendu

RRovno = 0.985 .028stat .027syst

RBugey = 0.987 .014stat .027syst

Mesures effectuées avec le même détecteur auprès de 2 réacteurs différents Validation:• modélisation du flux de neutrino• section efficace V-A

Et essentielle pour la définition des futurs programmes auprès des réacteurs: CHOOZ …


Et en prime la désintégration du neutrino …

Pourquoi: • implique des neutrinos massifs (domaine keV – MeV)• peut expliquer la ‘disparition’’ des neutrinos (solaires, … )

1) Désintégration radiative (états propre de masse dégénérés)

i j + γ‘New experimental limits on radiative neutrino decay’J. Bouchez et al (y. Déclais), Phys. Lett. B 207 (1988)

2) Désintégration par paire d’électrons

3 j + e+ + e- (j=1,2)

‘Experimental search for the neutrino decay in electron pair and limits on neutrino mixing’M. Altman et al (E. Kajfasz), Phys. Rev. D 52 (1995)


La ‘Road Map’ neutrino selon les théoriciens dans les années 90

J. Ellis et al. (CERN-TH-6569-92)G. Altarelli et al. (Neutrino Telescope)


L’expérience de CHOOZ

Le volume fiduciel=

capture neutron sur Gd

( Concept utilisé dans toutes les expériences de nouvelle génération )

evts / m3 /jour distance fond signal S/BBugey I 13.7 m 262. Bugey II 15. m 82. 648. 8.Bugey III 15. m 100. 2500. 40.CHOOZ 1000. m. 0.22 5. 22.

‘Limits on neutrino oscillations from the CHOOZ experiment’CHOOZ collaborationPhys. Lett. B 466 (1999) cited 1312


On-going programs are motivated by SuperK and Chooz results

From Kamiokande to SuperK: Atmospheric neutrinos anomaly intepretable in terms of oscillations

CHOOZ (reactor experiment)

no νexoscillations13<11°

SuperK 1998

CHOOZ 1997


Neutrino Oscillation : 3 neutrinos formalism

3

2

1

1212

1212

1313

1313

2323

2323

100

0

0

0

010

0

0

0

001

cs

sc

ces

esc

cs

sci

ie

θsol

θ13, δθatm


Is the CNGS program still valid ?

Parameter space allowed for solar neutrinos and by KamLAND

Parameter space for atmospheric neutrinos allowed by Super-K

Parameter space allowed by K2K and MINOS

L/E dependence of the measured to expected fluxes ratio of atmospheric by Super-K

Parameter space allowed by Super-K and excluded by CHOOZ and Palo Verde

Despite compelling evidences of neutrinos oscillation at all available sources:Sun, atmosphere, LBL reactors & accelerators

No direct evidence yet of flavour APPEARANCE tagged by identification of l- emitted in CC interaction

(only indirect evidence from NC measurement in SNO, and soon in MINOS)


CNGS beam optimized for appearance

732 Km

Given the distance: flux optimized for the maximal number of charged current interactions

L/E (43 Km/GeV) not optimal: « off peak »

<E> 17 GeV

(e+e)/ 0.87%

/ 2.1%

prompt negligible


Detection of the appearance signal

Two conflicting requirements: Large mass low Xsection High granularity

signal selection background rejection

Target:1350 tons, 5 years running

• ~26 000 neutrino interactions• ~150 interactions• ~15 identified• ~1 event of background

Topology selection:

Kink signature

The challenge is to identify interactions from interactions

-

Decay “kink”

-

~1 mm

oscillation

-


8.3 Kg

Pb

Emulsion layers

1 mm

The brick is the target basic component: Emulsion Cloud Chamber (ECC) Compact and modular structure

OPERA bricks 1 ECC= 56 Pb + 57 emulsions

2 emulsion layers (44 m thick)poured on a

200 m plastic base

130 000 m²

12.5cm

10.2cm

10 X0’s

Interaction From NUMI exposure

Electron trackEmulsion :Measuring a vector in space(δx=1 μm δθ=1 mrad)


The OPERA Detector

Target and Target Tracker (6x7m)2

● Target : 77500 bricks, 29 walls

● Target tracker : 31 XY doublets of 256 scintillator strips + WLS fibres + multi-anodes PMT for

• Brick selection• Calorimetry

Veto plane (RPC)

High precision tracker Instrumented dipole magnet● 6 4-fold layers of ● 1.53 T drift tubes ● 22 XY planes of RPC in

both arms Muon spectrometer (8×10 m2)

SM1 SM2

0.68 kton 0.68 kton


Les étapes de l’analyse‘brick finding’ à partir des détecteurs électroniques

Scanning des 2 ‘Changeable sheet’Dans la zone prédite

briqueCSd

Vertex finding:scanning de la briqueen suivant les tracestrouvées dans les CSd


Trace courte du ‘Charme’( une seule feuille d’émulsion 2 micro traces)

Désintégration d’un meson Charmé : même topologie que le Tau

Prompt


OPERA ντ Obervation Probability vs

Δm2 • 5 years data taking• nominal beam intensity

4.5 1019 pot/year• 1.35 ktons target mass

SK 90% CL(L/E analysis)

Dis

covery

pro

bab

ilit

y

%

Last MINOS measurement

3 σ sensitivity

4 σ sensitivity


CNGS MINOS, T2K complementarity

1–A ) 2

1–A )A

coscossin

sin [ (1–A ) sin ( A )sinsinsin

sin2 [ (1–A ) sin2sin

13

13

232

132

O

CP

CP

eP

1–A )Asin [ (1–A ) sin ( A )

213

22mEnG eF

)1(2sin2sincos 231213 O213

221

mm

~2 10 -2

ELm

4

213

ou

effets de matière :e appearance with matter effect

Another gift of nature !


Futur 2010 – 2020 : 13 , CP violation and mass hierarchy

Conventional super beam works Known beam technology Background highly nontrivial e beam contamination not

negligible but tolerable Upgraded sensitivity with

scenarios at the second maximum (T2KK) or high energy beam (Nova)

beta beam / neutrino factory required

Things change at sin2213~0.01 the priority is to set the scale of the effect T2K

( assuming the results published online )

sin2213 > 0.01

sin2213 < 0.01


The messenger of the starsis revealing great and wonderful spectaclesand incite everyone to look up at these …

For 50 years, by recording neutrinos from the sun, the Super-Novae, cosmic rays we improved our understanding in Astrophysics and Cosmology

In addition, neutrinos gave us a present by revealing their properties: this is opening a new field of research in fondamental physics for the next 50 years which will also have profound consequences in the understanding of the Universe

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