Les ν Massifs70 ans

pour passer du mythe à la réalité

Yves Déclais , IPNL (CNRS-IN2P3/UCBL)

Pauli

Fermi

Reines

Poltergeist

SNO

1931

1934

1956

2001SuperK 1998

Désintégration nucléaire

e-

60Co 60Ni e- n p e- ( F. Perrin 1933 )

Crise énergétique

Energie disponible = mnoyaux c2

-

Le problème expérimental du spectre continu

Stavros Katssanevas

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

La contribution des ν à la masse de l’univers

La boîte à outils sub-nucléaire

Supersymétrie :unification des lois physiques

Signature de la saveur du ν

Saveur du lepton chargéproduit par réaction de courant chargé

=1/ m= 100 milliards de rayons de Terre !!!!!!

Interaction Faibleσ= 10-44 cm2

Évaluation simple de la section efficace (Asimov : une particule fantôme , le neutrino)

Hans Bethe Rudolphe Peierls

Durée de vie du neutron = 12.8 minutes Temps de réaction 12.8 minutes

Parcours du ν : 2.3 1013 cm (distance terre-mars)

Taille du proton : 10-8 atome H

Il faut 2.3 1021 cm d’eau pour absorber un ν~ 1000 années lumière

n p e- νe νe p e+ n_ _

1956: La détection du νe auprès d’un réacteur nucléaireF.Reines (Nobel) et C.Cowan

- cible 2x200 l. eau cadmiée- scintillateur 3x1400 l.

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

_

1962 : découverte du νμ sur accélérateur

ντ : le dernier de la famille

DONUT 2000

Beam dump : absorption des mesons π, k

Production ντ : désintégration mesons Ds

Le mystère des neutrinos évanescents les ν solaires

Soleil : source pure de υe

50% du flux attendu est mesuré sur terre

SNO(Canada)

deux noyaux hydrogène

noyaudeutérium

neutrino

électron

Fusion nucléaire

‘photo’ du soleil avec des neutrinos

‘photo’ du soleil avec des neutrinos

Le mystère des neutrinos évanescents

Les ν atmosphériques

R = N(νμ) / N(νe)

Rproduction 2

Rmesuré / Rproduction 0.6

- excès de νe ?- disparition de νμ ?

Les couleurs comme les particules sont représentées par des ondes

jaune orange

Les Oscillations des Neutrinos

How mresults in oscillation

interactions: “weak” e.s. (e ,, “Mixed” eigen-states propagation : “mass” e.s. (1 ,2 ,3)

Quantum Mechanics weak mass weak

M.C. Escher, Metamorphose III (1967-68), part of a “long baseline” xylograph (19 cm x 680 cm)

1 , 2 , 3

different propagation of i waves different i mixture at detector not only at detector !

p

production

detected, although was produced !

m2ij

“visible”

weak

mass

“invisible”

“baseline” L

P.Strolin

Le formalisme

des oscillations des ν

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 ……

Motivation : ‘anomalie des ν atmosphériques’

Site idéal

2 réacteurs de puissance en construction( démarrage prévu : 1996 )

site souterrain d = 1km

Été 1992 :• choix du site• lettre d’intention• concept du détecteur

Équipe de projetPCC/CdF: H. de Kerret, D. Marchand

LAPP: Y. Déclais, A. Oriboni

La CollaborationInstitutions :• 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

Quel chantier !

1er semestre 1995

1994 : dossier technique autorisation DRIRE et DCSIN

Les réacteurs nucléairesComparaison des spectres d’énergie

Comparaison du flux total

1.4 %

Spectre d’énergie des neutrinos

σ

Flux produit

Flux détecté

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

_

Concept du Détecteur

Volume fiduciel capture neutron sur Gd

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)

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)

_

_

Bruit de fond : quelques éléments comparatifs

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.

Vue éclatée du détecteurAutomne 1995

Montage des Photomultiplicateurs

Zone externeVeto Cosmique

Automne 1995

Hall avant l’installation du blindage d’acier

Cuve du détecteur dans son puits

Salle d’électronique

Hiver 1995

L’usine de préparationdu scintillateur liquide

(150 m3)

Février 1996

Performances du détecteurRéponse à une source ponctuelle de neutrons

Énergie de capture

Reconstruction de la position de la source

Energie de capture reconstruitedans toute la cible pour l’ensembledes évènements νe

Capture sur H Capture sur Gd

_

La sélection des évènements

Signal prompt : e+ Signal prompt : e+

Sign

al r

etar

dé

: ca

ptur

e n

eutr

on

Sign

al r

etar

dé

: ca

ptur

e n

eutr

on

Critères : • distance des PMTs > 30cm• temps de capture < 100 μsec

Le signal ν

R= 1.01 2.8% (stat) 2.7% (syst)

Corrélation avec la puissance des réacteursBruit de fond (P=0) : 1.1 0.25 evts/jourSignal (P=8.4 Gwth) : 24.8 1 evts/jour

1997

L’interprétation des résultats

Probabilité

νe νx10%

10-1 eV2

10-2 eV2

10-3 eV2

Kamiokande

_

1998: la preuve des oscillations

υe/υμ varie selon la direction d’observation,donc selon la distance à la source

scénario préferré νμντ

SuperKamiokande

Soleil : source pure de υe

50% du flux attendu est mesuré sur terreLes neutrinos détectés sont mélangés entre les 3 saveurs

SNO(Canada)2001 :

la clé du puzzle des ν solaires

Diffusion sur e-

tous les neutrinos

Capture sur DeutériumCourant chargéUniquement νe

FLUX mesuré

1.75.07 .12

2.32 .03 .08

la suite …..

Consolider les résultats :• 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 2005

Disparition νμ

Mesure Δm2

Apparition ντ

OPERA

~ 10

m

supermodule

Détecteur

briques

module

brique

8 cm (10X0)

Étudier la matrice de mélange (matrice MNS)

Moyens• faisceaux intenses (protons, ions radioactifs)• usine à neutrino (anneau de stockage de muons)

Objectifs :• mesurer ΘCHOOZ

• mesurer les effets de la violation de CP et CPT

Asymétrie matière – antimatière ?

ΘCHOOZ

Comprendre la hiérarchie des masses

Le LHC et la Supersymétrie ?Place aux jeunes …..