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 …..