Les usines `a neutrinos

Les usines `a neutrinos constituent l’outil ultime pour l’´etude de l’ensemble des param`etres

d’oscillations ([68] et [69]). Le principal objectif est de produire des faisceaux tr`es intenses (1021

µ/an), de haute ´energie et tr`es focalis´es avec une composition bien connue et maitris´ee. Le dispositif exp´erimental est constitu´e d’un complexe d’acc´el´erateurs permettant d’obtenir des muons ayant une ´energie entre 20 et 50 GeV (figure 2.19). Ces muons sont ensuite stock´es dans

des anneaux o`u ils vont se d´esint´egrer :

µ−→ e−νµνe

µ⁺→ e⁺νeνµ

Le faisceau selon la configuration choisie sera compos´e de 50 % de νµ (νe) et 50 % de νe

(νµ). Les usines `a neutrinos auront alors acc`es aux canaux suivants :

– ν_µ → νµ et ν_e → νµ

– νµ → νe et νe → νe

– νµ → ντ et νe → ντ

et leurs conjugu´es pour l’autre configuration. Le ou les d´etecteurs utilis´es devront ˆetre capable d’identifier le lepton avec une bonne r´esolution ´energ´etique et une bonne identification de la charge. Pour cela des calorim`etres magn´etis´es du type MINOS et pesant de l’ordre de 40 kilotonnes sont ´etudi´es pour diff´erentes distances (3000 km + 7000 km [70]).

Les usines `a neutrinos pourront mesurer les param`etres atmosph´eriques (θ23 et ∆m2

23) avec

une pr´ecision de l’ordre du pour cent. Par ailleurs, les sensibilit´es atteintes pour sin22θ13seront

de l’ordre de 10−5. De plus elles permettront des ´etudes sur la violation de CP dans le secteur

2En effet, les exp´eriences utilisant les r´eacteurs nucl´eaires comme source de νe mesurent une probabilit´e de disparition P(νe→ νe) = 1 - sin22θ13sin^{2 ∆m}

2 31L 4E

Fig. 2.19 – Principe d’une usine `a neutrinos.

Fig. 2.20 – Courbes de sensibilit´e de sin²2θ13 pour diff´erentes options exp´erimentales.

leptonique en mesurant le rapport ^{N (ν}e→νµ)

N (νe→νµ) et par cons´equent une mesure du param`etre δcp. Les

figures 2.20 et 2.21 montrent les sensibilit´es atteintes pour diff´erentes exp´eriences et les usines `a neutrinos apparaissent comme celles ´etant les plus sensibles.

De plus le faisceau de neutrinos parcourira plusieurs milliers de kilom`etres dans la Terre avant d’atteindre le ou les d´etecteurs, il va donc subir les effets de mati`ere (effet MSW), ce qui

va permettre de d´eterminer le signe de ∆m2

Fig. 2.21 – Courbes de sensibilit´e `a 3 σ de la phase de violation de CP δcp dans un sch´ema `a 3 saveurs leptoniques. La courbe noire suppose l’exp´erience T2HK (8 ans de prises de donn´ees). La ligne magenta repr´esente la sensibilit´e pour le projet SPL (10 ans de prise de donn´ees, d´etecteur Cherenkov `a eau de 440 kilotonnes). Le graphe rouge concerne les β beams dirig´es sur le mˆeme d´etecteur du projet SPL. La courbe verte est une combinaison des 2 exp´eriences. La courbe bleue repr´esente les usines `a neutrinos pour des d´etecteurs plac´es respectivement `a 3000 et 7000 km. L’´epaisseur de chaque courbe tient compte des effets dus aux erreurs syst´ematiques introduites par l’incertitude sur les sections efficaces et sur les effets de mati`ere.

ou violation de sym´etries T, CP et CPT dans le secteur leptonique pourront ˆetre possibles grˆace `a ce genre d’installation.

Fig. 2.22 – Rapport ^{N (ν}e→νµ)

N (νe→νµ) en fonction de la distance source/d´etecteur [70]. Les effets dus

`a la violation de CP se font sentir pour une distance L = 3000 km environ et deviennent nuls pour L=7500 km environ.

Chapitre 3

L’exp´erience OPERA

L’exp´erience OPERA [71], situ´ee sous la montagne du Gran Sasso en Italie, se propose

de mettre en ´evidence les oscillations νµ → ντ par apparition du neutrino ντ `a partir d’un

faisceau presque pur de neutrinos νµ produit au CERN, en Suisse. Le d´etecteur OPERA est

un d´etecteur hybride associant des d´etecteurs ´electroniques et des ´emulsions photographiques (Emulsion Cloud Chamber), technologie utilis´ee et valid´ee dans des exp´eriences telles DONUT [72] et CHORUS [73]. Apr`es avoir expos´e les motivations physiques ayant conduit `a la r´ealisation de l’exp´erience, nous pr´esenterons une description d´etaill´ee de la production du faisceau de neutrinos muoniques et du d´etecteur OPERA. Nous expliquerons ensuite la strat´egie adopt´ee

pour la d´etection des ντ. Enfin, nous exposerons les performances de l’exp´erience.

3.1 Les motivations Physiques

Les exp´eriences cit´ees dans le chapitre pr´ec´edent ont mis en ´evidence les oscillations

neu-trino. L’exp´erience CHOOZ [43] a tr`es fortement exclu l’oscilllation νµ → νe dans le secteur

at-mosph´erique. De plus l’exp´erience Super-Kamiokande [75] a enregistr´e un d´eficit dans le flux de

νµ(distorsion dans le spectre z´enithal) sans observer d’exc`es de νe. L’hypoth`ese de l’oscillation

νµ→ ντ est favoris´ee pour expliquer l’anomalie observ´ee dans le d´etecteur Super-Kamiokande.

L’exp´erience K2K [74], r´ealis´ee aupr`es d’un acc´el´erateur, a enregistr´e aussi un d´eficit dans le

flux de νµ avec une distorsion dans le spectre en ´energie. La disparition des neutrinos νµ ayant

´et´e ´etablie, l’exp´erience OPERA serait un test conclusif de l’hypoth`ese de l’oscilllation νµ→ ντ

par l’observation directe de l’apparition d’un ντ `a partir d’un faisceau presque pur de νµ. Le ντ

interagissant par courant charg´e produit un lepton charg´e τ qui se d´esint`egre essentiellement dans les canaux suivants :

τ−→ µ−ντνµ(17.7%) τ− → e−ν_τν_e(17.8%) τ− → h−ντnπ⁰(49.5%) τ− → π⁺π−π−nπ⁰(15%)

OPERA utilisera des ´emulsions nucl´eaires pour reconstruire la trace caract´eristique en coude cr´e´ee par le τ et ses produits de d´esint´egration. Compte tenu du faible temps de vie du tau (2.9

× 10−13 s), la haute r´esolution spatiale (δθ ∼ 1 mrad et δr ∼ 1 µm ) offerte par les ´emulsions

OPERA permet ainsi, avec un rapport L/E ´equivalent au domaine des neutrinos

atmosph´e-riques, de pr´eciser les param`etres d’oscillation ∆m2

23 et θ23. Grˆace `a sa capacit´e `a identifier les

´electrons et `a la faible contamination du faisceau en νe, OPERA peut mettre aussi en ´evidence

l’oscillation ν_µ → νe par apparition de ν_e et am´eliorer la limite l’angle de m´elange θ₁₃ ou de

d´eterminer une valeur.