2.1 Les expériences de faisceau longue ligne de base
2.1.2 Expériences passées, actuelles et futures
Les expériences à longues ligne de base avec neutrinos d’accélérateurs sont apparues dans la fin des années 90. Les premières et deuxièmes générations ont confirmé les observations indiquant l’existence des oscillations des neutrinos, et ont effectué des mesures de précisions sur les angles θ13et θ23ainsi
que sur la différence de masse au carré ∆m2
32[2]. Les expériences de première génération étaient, dans
l’ordre chronologique, KEK To Kamioka (K2K)[3] (Japon, 1999–2004), MINOS[4] (USA, 2005-2011), OPERA[5] (Europe, 2008–2012) et ICARUS (Europe, 2004–2013). La seconde génération, encore en activité, sont les expériences NOνA[6] (USA, 2014–) et T2K[7] (Japon, 2010–). Les expériences de la troisième génération, en développement, sont Tokaï To Hyper-Kamiokande (T2HK)[8] dont le début
des travaux de construction est prévue au Japon pour 2020 et DUνE[9], actuellement en construction aux USA. Ces dernières ont pour but la détermination de la violation de CP, dont une valeur de δCP
différente de 0 et π a été annoncée avec un niveau de confiance de 2 σ par T2K[7] en 2018, et l’ordre des masses.
Les expériences de première génération
K2K[3] : C’était la première expérience de faisceau à longue ligne de base, construite dans le but de vérifier les résultats de Super-Kamiokande sur les oscillations des neutrinos atmosphériques. Un faisceau de neutrinos muoniques produit par un synchrotron de protons de 12 GeV au KEK, Tsukuba, Japon, parcourait 300 m jusqu’à un détecteur proche Cherenkov à eau de 1 kt. Le faisceau traversait ensuite 250 km jusqu’à Super-Kamiokande, un détecteur Cherenkov à eau de 50 kt. K2K a permis de montrer avec un niveau de confiance de 4.3 σ que les neutrinos muoniques disparaissaient, apportant ainsi une preuve de la théorie des oscillations des neutrinos. K2K a également fournit une mesure de la différence des masses carrées de |∆m2
32|= 2.8+0.7−0.9×10 −3
eV2.
MINOS[4] : L’expérience MINOS avait pour but de mesurer avec une plus grande précision le secteur atmosphérique. Elle observait la disparition des neutrinos muoniques de 3 GeV produits par la ligne de faisceau NuMI, au Fermilab, avec une ligne de base de 735 km. Le détecteur lointain, un calorimètre à échantillonnage en acier/scintillateur de 5,4 kt, était situé dans le Minnesota du nord. MINOS a mesuré la différences de masse au carré ∆m2
32= 2.35+0.11−0.08×10 −3
eV2/c4et l’angle sin2(2θ23) > 0.91 (limite de
confiance de 90 %).
OPERA[5] : L’expérience OPERA (2008–2012) diffère légèrement des autres expériences à longue ligne de base d’accélérateur par le fait qu’elle cherchait à observer l’apparition de neutrinos tauiques, et non l’apparition de neutrinos électroniques ou la disparition de neutrinos muoniques. Elle faisait partie du programme CERN Neutrinos to Gran Sasso (CNGS) dont le but était la recherche de l’oscillation des neutrinos. Elle utilisait une cible à émulsions, constituée de 150 000 briques de films photographiques espacés par des feuilles de plomb, arrangées en murs parallèles espacés par des scintillateurs plastiques. Les neutrinos, produits par le SPS du CERN, avaient une énergie entre 5 et 25 GeV afin de dépasser le seuil de production du τ de 3,5 GeV et traversaient 732 km jusqu’au laboratoire du Gran Sasso. Au total, dix neutrinos tauiques ont été observés.
Les expériences de seconde génération
Les deux expériences de seconde génération, NOνA aux États-Unis et T2K au Japon, sont complé- mentaires : elles ont les mêmes objectifs mais utilisent des technologies et lignes de bases différentes. Elles visent toutes les deux à mesurer |∆m232|afin de déterminer l’ordre des masses et sin2θ23afin de déterminer l’octant de θ23. Elles cherchent également à sonder la phase de violation de CP. Les diffé-
rences principales entre les deux expériences sont les technologies de détection (détecteur Cerenkov pour T2K et scintillateur liquide pour NOνA) et la lignes de base : 295 km pour T2K et 810 km pour
CHAPITRE 2. DUνE
NOνA. NOνA a donc un programme de recherches plus dédié à l’ordre des masses, tandis que T2K favorise la violation de CP. Les deux expériences ont leurs détecteurs proches et lointains hors axe (2.5◦ pour T2K et 14 mrad pour NOνA), afin de restreindre le spectre en énergie des neutrinos autour du pic de probabilité de transition.
NOνA[10] : Comme MINOS, NOνA détecte des neutrinos créés au Fermilab dans la ligne de faisceau
NuMI. Elle mesure les probabilités de disparition des neutrinos muoniques et d’apparition de neutrinos électroniques. Le détecteur lointain a été placé le plus loin possible (810 km) afin de maximiser la quantité de matière traversée et ainsi de favoriser la sensibilité à l’ordre des masses. L’énergie des neutrinos est de 2 GeV, correspondant au premier pic de probabilité de disparition des neutrinos muoniques. Son détecteur lointain pèse 14 kt et est constitué de 344 064 cellules PVC de 15 m × 4 cm × 6 cm remplies de scintillateur liquide, le tout relié à des photodiodes à avalanche pour amplifier le signal. Le détecteur proche est identique mais plus petit (126 t). NOνA prend des données depuis 2014. Les résultats de 2018[10] trouvent |∆m232| ∈[2.37, 2.52] × 10−3eV2/c4, sin2θ23∈[0.43, 0.51] ∪ [0.52, 0.60] et δCP ∈[0, 0.12π] ∪ [0.91π, 2π] avec un niveau de confiance de 68 %. NOνA a également exclue l’ordre
des masses inverse à 95 % de niveau de confiance.
T2K[7] : T2K utilise le même détecteur lointain que K2K, à savoir le détecteur Cerenkov à eau de 50 kt Super-Kamiokande. Ce dernier reçoit des neutrinos du synchrotron de 500 kW J-PARC avec une énergie piquée autour de 0,6 GeV, correspondant au premier maximum de probabilité de disparition des neutrinos muoniques à la ligne de base de T2K de 295 km. Les premiers neutrinos ont été produits en 2010. Les résultats de 2018[7] trouvent |∆m232|= 2.463+0.071−
0.070×10 −3
eV2/c4, sin2θ23= 0.526+0.032−0.036et
excluent δCP = 0 ou π à 2σ .
Les futurs expériences
Les deux futurs expériences à longue ligne de base d’accélérateur sont T2HK, proposée par le Japon et encore en discussion, et DUνE, aux États-Unis. Elles auront toutes les deux pour objectif de déterminer si la symétrie CP est brisée dans secteur leptonique et la mesure de l’ordre des masses, mais utiliseront deux approches différentes. T2HK favorisera une ligne de base plus petite, améliorant la sensibilité à la phase de violation de CP si l’ordre de masse est connu. DUνE utilisera une ligne de base plus grande et un spectre en énergie assez large pour couvrir deux maxima de probabilité de transition, permettant de sonder avec une bonne précision à la fois l’ordre des masses et la violation de CP.
T2HK[8] : L’expérience aura la même ligne de base que T2K (295 km). Son détecteur lointain, Hyper- Kamiokande aura une masse fiducielle de 560 kt, 10 fois plus que Super-Kamiokande. La même technologie de détection que T2K sera utilisée, à savoir un détecteur Cerenkov à eau. Il sera désaxé de la même manière que T2K, de 2.5◦, et recevra des neutrinos de même énergie que T2K (0,6 GeV). Le faisceau aura cependant une puissance supérieure, de 1,3 MW. Hyper-Kamiokande a été approuvé em
2018 et la construction débutera au printemps 20201. Le faisceau de neutrinos de J-PARC sera mis à niveau en plusieurs étapes pour atteindre une puissance de 1,3 MW d’ici 2028[11].
DUνE[9] : DUνE est décrit en détail dans les sections qui suivent. Elle aura une ligne de base de
1300 km, les neutrinos arrivant sur son détecteur lointain auront une énergie entre comprise 0,5 GeV et 5 GeV, contenant les deux maxima de probabilité de transition. Ses détecteurs lointains seront des LArTPCs avec une masse totale de 40 kt répartie en 4 modules. L’expérience a été approuvée en 2015 et les premières prises de données devraient débuter vers 2026.