Astro - Neutrinos

CPPM25 / 06 / 2015

Jose BustoCentre de physique des particules de MarseilleUniversité Aix - Marseille

Flux de neutrinos cosmiques

Neutrino - Electron

Propriétés physiques du neutrinos

=> excellent vecteur de l’Univers lointain et profond

Neutrino – Nucleon < 1 GeV

Neutrino – Nucleon 50 GeV < E < 250 GeV

( σpp [100 GeV] ~ 4 10-31 m2)

int

1N

A totN νλσ

=

Opacités vis-à-vis des neutrinos

Neutrinos Solaires

Le Soleil en chiffres :

Masse : 1,989×1030 kg 333 000 fois celle de la TerreDiamètre : 1,392 millions de km 109 fois celui de la TerreDensité moyenne : 1,4 (eau = 1)Type spectral : G2 V (étoile jaune de la séquence principale)Température de surface : 5 800 K (0 K = -273,15 °C)Température au centre : 14 millions KMagnitude apparente moyenne : -26,74Magnitude absolue : +4,83Luminosité (ou puissance rayonnée) : 3,85×1023 kWConstante solaire : 1 367 W/m2 seuls 240 W/m2 parviennent au niveau du sol Composition chimique (en nombre d'atomes) :

Hydrogène : 94 %, Hélium : 6 %, et des traces principalement des éléments suivants :Oxygène, Carbone, Azote, Magnésium, Néon, Silicium, Fer, Soufre, Calcium, Argon, Sodium, Aluminium, ... (tous les éléments sont présents)

Composition chimique (en masse) : Hydrogène : 73 %, Hélium : 25 %, et tous les autres éléments : 2 %

Rotation différentielle : 26 j à l'équateur, 31 j à 60° de latitude, 37j aux pôlesCycle d'activité magnétique : 11 annéesPériode de révolution autour de la Galaxie : 240 millions d'annéesAge : 5 milliards d'années

Qu’est ce qui fait briller le soleil ?

Energie chimique ?90% est HH+ + e− −−> H + hν (13.6 eV)

ansL

eVmMt

o

Hochi

51026.13)( ⋅=⋅= Trop court !

Energie graviationnelle

Energie potentielle d’une sphere gazeuse : R

GMEM

2

5

3−=

ansLEt oGragra7108.1 ⋅== Encore trop court !

Energie nucleaire

4H−> He : Efus=26.7 MeV

ansLEt oFusnuc1110≈=

Si seulement 10% d’H consomme 10 milliards d’annees Ok !

La fusion de l’hydrogène

La branche principale du processus de fusion dans le soleil est

p + p −> d + e+ + νe

Pour qu’il y ait fusion il faut vaincre la repulsio n Coulombienne

fm 2.1 ,24

10

0

2

0 == rr

eV

π keV 6000 =V

−=

E

EGexpP(E)

keV 4902

222

212

=

= eZZmEG

h

dEkT

E expE ~F(E)dE

−

Energie des p dans le soleil ~ 1keV Il faut un effet tunnel

Probabilité pour traverser la barrière

(Energie de Gamow)

Distribution maxwellienne

P(E)

F(E)Probabilitéde fusion

E/kT2 4 6 8 10

Interaction p p

H

Le chemin vers le soleil

Masse ~ 1057 atomes d’HTempérature ~ 10 – 100 KTaille ~ 1 pcDensite ~ 104 a 105 atomes /cm3

H

Le chemin vers le soleil

- Sous l’effet de la gravitation la proto étoile s’effondre et s’echauffe- Le rayonnement s’échappe librement- Energie gravitationnelle, seule source énergie

Le chemin vers le soleil

- La contraction se poursuit et le rayonnement est bloqué- La proto-étoile se chauffe d’avantage

Le chemin vers le soleil

- disociation de la molecule H2 (T ~ 1800 K )- disociation de l’atome H (T~ 104 K )- disociation de l’atome He

Accélération de la contraction

A 105 K tout est ionisé

Le chemin vers le soleil

Lorsque T = 14.109 K la fusion de l’H commence

==> Equilibre dynamique

La fusion de l’HydrogèneLa chaîne PP I

( 86 % )

2He instable

Abondance du d trop faible

4Li est instable Abondance du d trop faible

(jamais observe en laboratoire )

4 1H −−−> 4He + 2γ + 2e+ + 2ν + 26.72 MeV

Dépendance en temps

p + p −> 2H + e+ + νe p + e− + p −> 2H + νe

2H + p −> 3He + γ

3He + 3He −> 4He + 2p

3He + 4He −> 7Be + γ

3He + p −> 4He + e+ + νe

7Be + e− −> 7Li + νe7Be + p −> 8B + γ

7Li + p −> 2 4He 8B −> 8Be∗ + e+ + νe

8Be∗ −> 2 4He

pp III

pp II

(νe - 8B)

(νe - 7Be)

99.87 % 0.13 %

15 %

85 % 2. 10−5 %

99.6 %0.4 %

(νe - pp )

(νe - pep )

(νe - hep)pp I

<Eν> = 6.74 MeV

Eν = 0.39, 0.86 MeV

<Eν> = 0.27 MeV

Eν = 1.44 MeV

Eν = 9.63 MeV

Solar neutrinos

loss ~ 2%

loss 4%

loss 28%Total loss 2.3 % Nν ~ 2 . 1038 s−1

Spectre neutrinos dans le SSM

Le Modèle Solaire SSM

H. Bethe, C. Weizsäcker, . . ., J. Bahcall, S. Turk-Chieze

Description de l’équilibre hydrostatique des étoiles de la série principale

avec les données en température, densité, composition, …, du Soleil

• Fusion H en He comme source d’énergie • Sections efficaces fortement extrapoles : Ep ~ 10 keV• Forte dépendance des paramètres : Φ(ν_8B) ~ (Tc)25

••

Neutrinos Solaires => bonne connaissance de la machine « Soleil »

=> Tc = 15.7 ( 1 ± 1 %) 106 K

1964 Ray Davis propose de detecter les ν du soleil

37Cl + νe37Ar + e−.

1968 : seulement 34 % des neutrinos attendus !

Et ceci pendant 20 ans

Problème du neutrino solaire

Détection indirecte des neutrinos

Radio -chimie

νe +Z-1A → e- + ZA* – Selection du seuil� νe +37Cl→e- + 37Ar E>0.8MeV

37Ar, noyau radioactif

νe +Z-1A → e- + ZA*

Irradiation( 3 - 4 semaines )

Extraction

Detection( plusieurs mois )

Principe de la methode

Carrier

Mass = 615 tons C 2Cl4 (2.16 x 1030 Cl-atoms)SSM ~ 1.5 37Ar atoms/day

Threshold 0.814 MeVDepth = 1500 m (4850 ft)Background CR- 37Ar = (0.08±0.03) atoms/day

Extraction efficiency 90-95% ± 3%/run37Ar half life 35 daysCounting efficiency ~40% ± 2.5%

No time informationNo spectrum information

Observed/Predicted =0.27 ±0.04

37Cl

2.56 ±0.23

8.1

8B

7Be

7Be+8B=7.3SNU(1 SNU =10-36captures /sec)

1.1

6.1

Cl experiment (νe + 37Cl ⇒ e- + 37Ar)

SNU ( Solar Neutrino Unit)� 10-36 captures/s/noyau

Ga Experiments (νe + 71Ga →71Ge+e-)(GALLEX/GNO,SAGE)

• GALLEX/GNO 30.3 ton Gallium

SSM 1.18 71Ge atoms/day• SAGE 50 ton metallic Ga• Threshold = 233 keV• Counting eff. 39.6 % • 71Ge half life= 11.43 days• Extraction efficiency (3-4 weeks) 99%

• GALLEX/GNO 0.58±0.05• SAGE 0.59±0.06

74 ±778+8-7

Ga GALLEX(+GNO)

128

pp

B

Be

SAGE

pp sensitive

exp / SSM

(1991-1997)

(1990 -)

GALEX

Origine des neutrinos observes ??

Detection directe des neutrinos

Detection du recul SK, SNO - E > 5 MeV

- Information temps, direction

• Jour/Nuit, Zenith– Energie evenements

• Distortion spectre

Water Cherenkovν + e− −−> ν + e−

• 50 kt H2O, 22.5 kt vol. fiduciel ( 41.4 m haut, 39.9 m diametre• 11,200 PM ( 50 cm diametre )• Resol. energie 2.5% (a 1 GeV) ～16% (a 10 MeV) • Seuil 5 MeV

Kamiokande ( Jan 1987 - Fev 1995 )

• 3000 t H2O, 680 t vol. fiduciel, 948 PM• Seuil : 6.75 MeV −−> 8B

Super - Kamiokande ( 1996 -- )

41.4 m

40 m

50 000 T eau11 200 Photo-Multiplicateur

Super Kamiokande

Lumière Cherenkov

Détection des neutrinos du soleil

34

35

ν

e−

ν

e−

e−

νν

e−

ν

e−

ν

e−

ν

e−

Accès à la direction du neutrino

ν

e−

ν

e−

e−

νν

e−

ν

e−

ν

e−

ν

e−

ν

e−

ν

e−

e−

νν

e−

ν

e−

ν

e−

ν

e−

Détection directe des neutrinos

Détection directe des neutrinos

Effet Cherenkov

e−

V_e− > V_lumiere ( dans le milieu )

42o

dans l’eau

Direction de l’électron

Déplacement d’une particule chargée dans un milieu transparent

θ

cn t

βct

cos θ = 1βn

Front d’onde

Icherenkov ~ 200 photons/cm

Lorsqu’on se déplaceplus vite que le son dans l’air

Lorsqu’on se deplaceplus vite que la lumiere

dans l’eau => Lumiere Cherenkov

Réacteur nucléaire

Trace muon 0.5 MeV

Timing

S.P.Mikheyev INR Moscow

Erice 7 July 2004 44

S.P.Mikheyev INR Moscow

Erice 7 July 2004 45

Resultat 31/05/1996 − 13/07/2001 ( 1496 j)

22400 +− 230 solar neutrinos(14.5 evts/j )

8B flux : 2.35 +− 0.02 +− 0.08 ( x 106 cm −2 s−1)

Data / SSM = 0.465 +− 0.005

Expériences

Homestake : νe + 37Cl -> e- + 37Ar

Gallex et Sage : νe + 71Ga -> e- + 71Ge

SuperKamiokande : νe + e- -> νe + e- dans l’eau

-Expériences radiochimiques ⇒ flux intégrés

-Courant chargé (νe)

-Spectre en énergie ( > 5 MeV)

-Courant chargé + courant neutre (νe + 1/6 νx)

Solar ν Problem

Smaller then expected in wide range of neutrino energy

Départ 1999

Eseuil (CC) ~ 8.2 MeV

Eseuil (NC) ~ 2.2 MeV

Eseuil (ES) ~ 7.0 MeV

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 -0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Eve

nts

per

0.05

wid

e bi

n0

20

40

60

80

100

120

140

160

sunθcos

ESCC

NC + bkgd neutrons

Bkgd

(a)

CC

ES

CN

Solar Neutrino Flux

� Energy Constraint in 8B Energy shape

Signal extraction in R3, cosθSun, Energy

� 8B SSM Flux

BP01 (theorie)

Φ(νx) = 5.09 (stat.) (syst.) x10 6 cm -2s-1+0.44-0.43

+0.46-0.43

Φ(νx) = 5.05 x106 cm -2s-1+1.01-0.81

Flux mesurés

- Φ µ,τ ≠ 0 à 5.3 σ

- Le flux total est compatible avec le flux prédit par le modèle du Soleil

ΦCC = Φe

ΦNC = Φe + Φµ,τ

ΦES = Φe + 1/6 Φµ,τ

Solar ν Problem

Smaller then expected in wide range of neutrino ene rgy

Oscillations à trois neutrinos

eν

τν

µν

Oscillations dans la matière solaire

SMA

LOW

VAC

LMA

SMA

LOW

VAC

⋅∆⋅=→E

LmP e 4

sin)2(sin)(2

22 θνν µ

Ga, Cl, SK, SNO Rate ν e → ν µ / τ (95 % C.L.) 10

-12

10 -11

10 -10

10 -9

10 -8

10 -7

10 -6

10 -5

10 -4

10 -3

10 -4

10 -3

10 -2

10 -1

1

Allowed parameter regions from observed rates

∆m2

(eV

2 )

sin 22θ

SMA

LMA

LOW

VAC

• Homestake (Cl), GALLEX (Ga), SAGE (Cl), SK (H2O), SNO (D2O) results are combined

Experiences mono réacteur

Retour aux réacteurs

Experiences multi réacteur

Neutrinos « nucléaires »

Déficit de neutrinos (en fin) => νe ---> νµ

KAMELAD EXPERIMENT

Résultats

20

15

10

5

0

reactor neutrinos geo neutrinos accidentals

25

20

15

10

5

086420

Prompt Energy (MeV)

2.6 MeV(analysis)

KamLAND data no oscillation best-fit oscillation

sin22θ = 1.0 ∆m2= 6.9 x 10-5 eV2

Eve

nts

/0.4

25

Me

V

Sélection des événements :

-seuil en énergie-veto muon-coupure sur la coïncidence (temporelle et spatiale)-volume fiduciel

Nobs = 54 ev

Natt = 86.8 ± 5.6 ev

Nbdf = 0.95 ± 0.99 ev

(Nobs-Nbdf)/Natt = 61.1 %

Aujourd’hui

• 300 ton liquid scintillator (100 ton fid.vol)

• 2200 8-in PMTs

• Ee > 250keV

� νe + e � νe + e

• 55 ev/day for SSM

Vers les tres bas seuils : Borexino

BOREXINO

KamLANDBOREXINO

CLEAN

K, SK, SNO

Cl, Galex, Sage, GNO

Nouvelle Génération

« Ce qui reste à faire »

• Mesures du spectre de neutrinos tout entier (pp, pep, 7Be, CNO)-> mesures directes (8B, E > 4.5 MeV) ~10-3 % du total

• Etudier le « Patern » d’oscillation de manière precise-> Oscillations MSW dominant @ E > 3 MeV-> Oscillations vide dominant @ E < 0.5 MeV

• Mesures précises des sections efficaces

• Controverse métallicite ( A > 4 ) => mesure du CNO-> Heliosismologie (1998 ) accord avec SSM @ 0.5%-> Heliosismologie (2006) facteur 2 de différence

• Nouvelle physique cachée à basse énergie (MaVaN, µν, …)

Solutions non standard

ps

νe

ps

B

×≈⇒≠ −

eV

mm e

B 11030 19

µµν

ν

Moment magnétique

νe

Si µν ≠ 0 νe LH est transforme en νe RH stérile par WI

Refroidissement de l'étoile

A. Friedland et al. astro-ph/080947031 )

Conséquences µν « grand »

NSI : Non Standard Neutrino Interactions

MaVaN : Mass Varying Neutrinos

Friedland et al. hep-ph/0402266Miranda et al. hep-ph/0406280

Fardon et al. astro-ph/0309800Barger et al. hep/-ph/0502196

Non Standard Interaction& MaVaN

Au-delà de la séquence principale

4H −> 4He + 2νe+ 2e+ +2γ + 26.731 MeV

Fusion H

Fusion He

2 4He −−−> 8Be

4He

12C* + γ + 7.65 MeV

Quand il n’y a plus de carburant : Contraction � Echauffement -> nouvelle Fusion

Si la masse est supérieure à ~ 10 Mo la fusion au delà du C est possible

12C + 12C −−−> 20Ne + α + 4.62 MeV

20Ne + 20Ne −−−> 16O + 24Mg + 4.59 MeV

16O + 16O −−−> 28Si + α + 9.59 MeV

28Si + 28Si −−−> 56Fe

La barrière du Fe

Energie de liaison par nucléon

Etoile en structure d’oignon

Au delà du Fer il n’y a plus de source d’énergie possible

⇒ La gravitation l’emporte

=> Effondrement du noyau de Fe.

La température augmente et les γ ont suffisamment d’énergie pour casser les noyaux de Fe � photo-desintegration

Fort enrichissement du noyau en neutrons et neutrinos

enpe ν+→+−RefroidissementDiminution pression électronique

56Fe + γ −−−> 13 4He + 4n; 4He + γ −−−> 2p + 2n

ττµµ νννννν ;;eeee →+ −+

Par ailleurs

Fe+n+ν+…

Effondrement

Fe+n+ν+…

Effondrement

Fe+n+ν+…

ρ ~ 1014 g/ cm3

Matière nucléaire incompressible

Arrêt Effondrement => Explosion

Fe+n+ν+…

Explosion

ν

ν

ν

ν

ν ν

νν

Burst de neutrino lors de « l’explosion »

Précurseur optique => alerte

SN 1987 A Grand Nuage de Magellan~ 179 000 a.l.

AVANTAPRES

SN1987A

Distribution en temps et en énergie

Supernova 1987A

VisibleNeutrino

• Confirmation du mécanisme des SN ; 1053 erg (99% neutrinos, <Eν> ~ 10 MeV, précurseur optique, …)• Limites sur la physique du neutrino : mν, µν, τν, ….• Limites sur l’existence d’axions, νR, Majorons, …• Confirmation de l’effet Shapiro, ….

++→+ enpν

On a vu les neutrinos de SN1987A~ 4 avant la lumière

OPERA => les neutrinos doivent arriver ~ 4 ans avant la

lumière !!???

• Oscillations des neutrinos dans SN1987A

No oscillations

IMB : 8583 kmK - II : 4363 km

LAr

GLACIER : 10 −> 100 kton

Liquid scintillator

LENA−> 50 kton

UNOHyper - K

60 m

H2O Čerenkov ( 0.5 −> 1 Mton)

Projets d’avenir