Les oscillations de neutrinos

Les neutrinos sont des particules élémentaires neutres, dont il existe trois sortes. En raison de leurs faibles interactions, la matière leur est pratiquement transparente et de grands détecteurs sont nécessaires pour les observer. Une de leurs particularités est qu’ils peuvent « osciller » en vol, d’une espèce vers une autre. Ces oscillations sont décrites par trois « angles de mélange », dont deux sont grands et ont déjà été mesurés. Le troisième paramètre (appelé ‘thêta un-trois’) est petit, compatible avec zéro, et sa meilleure estimation provient d’une expérience réalisée à Chooz, il y a une dizaine d’année. Le nouveau détecteur Double Chooz est le premier d’une nouvelle génération d’expériences qui cherchent à mesurer ce paramètre fondamental.

L’expérience Double Chooz

En 2003 Le CEA/Irfu et le CNRS/IN2P3 ont  lancer projet Double Chooz. Les deux instituts ont décidé de lancer en septembre 2006 la construction de l’expérience destinée à étudier les neutrinos, ces particules élémentaires produites en abondance dans les étoiles, l’atmosphère, et les coeurs des centrales nucléaires.

L’expérience Double Chooz comportera deux détecteurs identiques. Le premier d’entre eux, situé à une distance d’environ 1 km des réacteurs, a été construit entre 2008 et 2011 sous la coordination technique de l’Irfu. Il est actuellement en prise de données depuis le mois d’avril 2011. Un deuxième détecteur sera situé dans une cavité en creusement sur le site de la centrale de Chooz, à 400 m des cœurs.

Ces deux détecteurs utilisent des scintillateurs liquides spécialement mis au point pour cette expérience. La cible au centre du détecteur contient 10 m³ de scintillateur dopé au gadolinium pour identifier la capture des neutrons directement créés par l’interaction des neutrinos venant des réacteurs nucléaires (ce sont en fait des antineutrinos) La cible est observée par 390 photomultiplicateurs immergés qui traduisent les interactions en signaux électroniques.

Localisation: Centre National de Production d'éléctricité de CHOOZ (Ardennes)

Site Web : www.doublechooz.org 

Responsabilités scientifiques:

Coordination de l'analyse de données 'détecteur' (Thierry Lasserre)

Co-Coordination de l'analyse des données 'réacteur' (D. Lhuillier, M. Fallot - IN2P3)

Responsabilités techniques

Coordination technique de l'expérience (Ch. Veyssière)

L'expérience a été initiée à l'Irfu. Dans ce cadre, suite aux conclusions du CSTS datées du 10/03/2004, il est proposé à l'Irfu de prendre à sa charge une partie importante de la structure mécanique des deux détecteurs. Ses responsabilités se déclinent en lots de tâches.

• LOT 1 : Coordination technique de l'ensemble du projet

• LOT 2 : Etude, développement, réalisation et intégration sur site des enceintes Cible, Gamma Catcher et Buffer des détecteurs de l’expérience Double Chooz

• LOT 3 : Etudes, développement, réalisation, mise en œuvre du système de mesure de masse de liquide cible contenue dans les détecteurs 

• LOT 4 : Mise en œuvre et tests de compatibilité des matériaux (pour qualification et acceptance dans le détecteur) avec les liquides utilisés

• LOT 5 : Mise en place et coordination des salles blanches des laboratoires neutrinos

• LOT 6 : Rédaction des dossiers à fournir aux autorités de sureté nucléaires et préféctorales (ICPE, sources d'étalonnage, environnement)

A ces lots l'Irfu il faut ajouter un lot d'assistance à maitrise d’ouvrage en génie civil pour l’étude et la réalisation du laboratoire proche en cours d'excavation.

Contacts:

Thierry Lasserre

Christian Veyssière

The New Idea: Physical Review Letters : PRL 107, 201801 (2011)

Authors:

Michel Cribier, Maximilien Fechner, Thierry Lasserre, Alain Letourneau, David Lhuillier, Guillaume Mention, Davide Franco, Vasily Kornoukhov, Stefan Schoenert

Corresponding author : Thierry Lasserre (thierry.lasserre@cea.fr)

Abstract:

Several observed anomalies in neutrino oscillation data can be explained by a hypothetical fourth neutrino separated from the three standard neutrinos by a squared mass difference of a few eV². This is becoming one of the most important topics to be addressed in neutrino physics. In particular the reactor neutrino and the gallium anomalies can be tested with a PBq (ten kilocurie scale) ¹⁴⁴Ce antineutrino beta-source deployed at the center of a large low background liquid scintillator detector, such like Borexino, KamLAND, and SNO+. The compact size of such a source could yield an energy-dependent oscillating pattern in event spatial distribution that would unambiguously determine neutrino mass differences and mixing angles. The proposed program aims to perform the necessary research and developments to produce and deploy an intense antineutrino source in a large liquid scintillator detector. 

Publication:

preprint: arXiv:1107.2335

Physical Review Letters : PRL 107, 201801 (2011)

Talks & Seminars:

• Seminar at the ICCR institute, Tokyo-Kashiwa, Japan, December 05th, 2011, Th. Lasserre
• Seminar at the KEK institute, Tsukuba, Japan, December 06th, 2011, Th. Lasserre
• Seminar at the ICEPP institute, Tokyo University, Japan, December 07th, 2011, Th. Lasserre
• Seminar at the RCNS institute, Tohoku University, Sendai, Japan, December 08th, 2011, Th. Lasserre

Outreach:

Article in PhysOrg.com :  Physicists propose search for fourth neutrino

The Project:

an Antienutrino Source  (15 g of ¹⁴⁴Ce) at the center of a large liquid scintillator detector

The Reactor Antineutrino Anomaly

Recently new reactor antineutrino spectra have been provided for 235U, 239Pu, 241Pu and 238U, increasing the mean flux by about 3 percent. To good approximation, this reevaluation applies to all reactor neutrino experiments. The synthesis of published experiments at reactor-detector distances 1.5 eV^2 (95%) and sin^2(2theta_{new})=0.17(0.08) (95%). Constraints on the theta13 neutrino mixing angle are revised.

Reference: 

• Article posted on Arxiv 1101.2755
• Phys. Rev. D 83, 073006 (2011) – Published on April 29, 2011

Authors:

• G. Mention, M. Fechner, Th. Lasserre(*), Th. A. Mueller, D. Lhuillier, M. Cribier, A. Letourneau

      * Corresponding author: Thierry Lasserre (thierry.lasserre@cea.fr)

Institution:  

• CEA, Irfu, Centre de Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France

Talks & Seminars:

• Seminar at the APC laboratory, Paris, 1st of February 2011, M. Fechner (.pdf)
• Seminar at the LAPP, Annecy, 4th of February 2011, Th. Lasserre (.pdf)
• Workshop on Sterile Neutrinos and on the Reactor (anti)-Neutrino Anomaly T.U.M, 8th of February 2011, M. Fechner (.pdf)
• Seminar at the Irfu/SPP, Saclay, 28th of February 2011, G. Mention (.pdf)
• XIV International Workshop on Neutrino Telescopes, Venice, 15-18 March 2011, Th. Lasserre (.pdf)
• Rencontres de Moriond EW 2011, Electroweak Interactions and Unified Theories, 13-20 March 2011, La Thuile, G. Mention (.pdf)
• Seminar at the Lawrence Livermore Laboratory, 5th of April 2011, Th. Lasserre ( Lasserre-California2011.pdf)
• Seminar at the Lawrence Berkeley Laboratory, 6th of April 2011, Th. Lasserre ( Lasserre-California2011.pdf)
• Seminar at the Stanford University, 7th of April 2011, Th. Lasserre (. Lasserre-California2011.pdf)
• Seminar at the University of California, Irvine, 8th of April 2011, Th. Lasserre ( Lasserre-California2011.pdf)
• Seminar at the LAL, Orsay, 18 of April 2011, M. Fechner
• Beyond3Nu @ LNGS, 3-4 May 2011, Gran Sasso, Italy, D. Lhuillier
• Talk at the Short-Baseline Neutrino Workshop, May 12‑14, 2011, G. Mention
• Talk at the 23rd Rencontres de Blois -Particle Physics and Cosmology, May 29 - June 3 2011, Th. Mueller
• Review talk on Reactor neutrino esperiment and anomaly at EPS-HEP 2011, July 23th, 2011, Th. Lasserre
• Talk at the Nufact 2011 Conference, Geneva, August, 2011, G. Mention
• Talk at the TAUP 2011 Conference, Munich, September 6th 2011, Th. Lasserre
• Talk at the AAP 2011 Workshop, Vienna, September 15-16, 2011, Th. Lasserre
• Talk at the Workshop on Baryon & Lepton Number Violation workshop, BLV-2011, Gatlinburg (USA), 22-24th of september 2011, D. Lhuillier 
• Talk at the Workshop Frontiers on Neutrino Physics, APC (Paris), October 04-06th, 2011, Th. Lasserre
• Talk at the Low Nu 2011 Workshop, Korea, November 9th-12th, Th. Mueller
• Seminar at the ICCR institute, Tokyo-Kashiwa, Japan, December 05th, 2011, Th. Lasserre
• Seminar at the KEK institute, Tsukuba, Japan, December 06th, 2011, Th. Lasserre
• Seminar at the ICEPP institute, Tokyo University, Japan, December 07th, 2011, Th. Lasserre
• Seminar at the RCNS institute, Tohoku University, Sendai, Japan, December 08th, 2011, Th. Lasserre
• Talk at the Neutrino 2012 Conference, (Japan), « Testing the Reactor and Gallium Anomalies with Intense (Anti)Neutrino Emitters », June 2012
• Invited talk at the TPC Paris, December 18^th 2012, Review talk on Sterile Neutrinos

Outreach:

• Dossier Science et Vie sur l'hypothèse d'un 4è neutrino (file below)
• De la fission nucléaire à l’hypothèse d’un 4e neutrino : l’effet papillon !
• Butterfly effect - from nuclear fission to the hypothesis of a 4th neutrino!
• NATURE article: The amazing disappearing antineutrino
• Science article : The Sterile Neutrino: Fertile Concept or Dead End?

Citations:

Most of the references can be found at: SPIRES, SLAC, Stanford record

• Exploring nu signals in dark matter detectors, Roni Harnik, Joachim Kopp, Pedro A.N. Machado, arXiv:1202.6073
• The Electron Capture Decay of 163-Ho to Measure the Electron Neutrino Mass with sub-eV Accuracy and Beyond, Flavio Gatti, Massimiliano Galeazzi, Maurizio Lusignoli, Angelo Nucciotti, Stefano Ragazzi, arXiv:1202.4763
• Sterile neutrinos and indirect dark matter searches in IceCube, Carlos A. Arguelles, Joachim Kopp, arXiv:1202.3431
• Indirect Dark Matter Detection in the Light of Sterile Neutrinos, Arman Esmaili, Orlando L.G. Peres, e-Print: arXiv:1202.2869
• Cosmological parameters constraints from galaxy cluster mass function measurements in combination with other cosmological data, R.A. Burenin, A.A. Vikhlinin, arXiv:1202.2889
• Constraining neutrino flux predictions with hadron production data: the NA61/SHINE measurements for the T2K experiment, Nicolas Abgrall (Geneva U.)
• Confronting the short-baseline oscillation anomalies with a single sterile neutrino and non-standard matter effects, G. Karagiorgi, M.H. Shaevitz, J.M. Conrad
• Measuring muon-neutrino charged-current differential cross sections with a liquid argon time projection chamber, Joshua B. Spitz (Yale U.), FERMILAB-THESIS-2011-36.
• Light Sterile Neutrinos and Short Baseline Neutrino Oscillation Anomalies, JiJi Fan, Paul Langacke, arXiv:1201.6662
• Review of Reactor Neutrino Oscillation Experiments, A.J. Franke, C. Mariani.,  arXiv:1201.6665
• An estimate of theta_14 independent of the reactor antineutrino flux determinations, Antonio Palazzo, arXiv:1201.4280
• Measuring Active-to-Sterile Neutrino Oscillations with Neutral Current Coherent Neutrino-Nucleus Scattering, A.J. Anderson, J.M. Conrad, E. Figueroa-Feliciano, C. Ignarra, G. Karagiorgi, K. Scholberg, M.H. Shaevitz, J. Spitz, arXiv:1201.3805
• Neutrinos and the stars, Georg Raffelt, MPP-2011-155, Jan 2012, arXiv:1201.1637
• Review of Reactor Antineutrino Experiments, Zelimir Djurcic, arXiv:1201.1522
• Indication for the disappearance of reactor electron antineutrinos in the Double Chooz experiment, The Double Chooz Collaboration, arXiv:1112.6353
• Cosmological Constraints from Sunyaev-Zel'dovich-Selected Clusters with X-ray Observations in the First 178 Square Degrees of the South Pole Telescope Survey, B.A. Benson et al., arXiv:1112.5435
• Constraints on massive sterile plus active neutrino species in non minimal cosmologies, Elena Giusarma, Maria Archidiacono, Roland de Putter, Alessandro Melchiorri, Olga Mena, arXiv:1112.4661
• Unsolved problems in particle physics, Sergey Troitsky, INR-1306-2011, arXiv:1112.4515
• The Mystery of Neutrino Mixings, Guido Altarelli, RM3-TH-11-17, CERN-PH-TH-2011-298, arXiv:1111.6421
• Leptonic CP violation, G.C. Branco, R.Gonzalez Felipe, F.R. Joaquim, arXiv:1111.5332
• First Double-Chooz Results and the Reactor Antineutrino Anomaly, Carlo Giunti, Marco Laveder, arXiv:1111.5211
• Implications of sterile neutrinos for medium/long-baseline neutrino experiments and the determination of $theta_{13}$, Bhubanjyoti Bhattacharya, Arun M. Thalapillil, Carlos E.M. Wagner, arXiv:1111.4225 
• Prospect for Charge Current Neutrino Interactions Measurements at the CERN-PS, P. Bernardini et al. CERN-SPSC-2011-030, SPSC-P-343, Nov 2011, arXiv:1111.2242
• MINOS+: a Proposal to FNAL to run MINOS with the medium energy NuMI beam. By MINOS+ Collaboration (G. Tzanankos et al.), Proposal.
• Implications of 3+1 Short-Baseline Neutrino Oscillations, Carlo Giunti, Marco Laveder, arXiv:1111.1069
• Light Sterile Neutrino in the Minimal Extended Seesaw, He Zhang, arXiv:1110.6838
• Sterile Neutrinos for Warm Dark Matter and the Reactor Anomaly in Flavor Symmetry Models.
• James Barry, Werner Rodejohann, He Zhang, arXiv:1110.6382
• Constraining the (Low-Energy) Type-I Seesaw, Andre de Gouvea, Wei-Chih Huang, arXiv:1110.6122
• Vanishing effective mass of the neutrinoless double beta decay including light sterile neutrinos, Y.F. Li, Si-shuo Liu, arXiv:1110.5795
• Phenomenology of Sterile Neutrinos, Carlo Giunti, arXiv:1110.3914
• Confronting Recent Neutrino Oscillation Data with Sterile Neutrinos, G. Karagiorgi, arXiv:1110.3735
• Neutrino oscillometry at the next generation neutrino observatory, Yu.N. Novikov et al, arXiv:1110.2983
• Neutrinos as Hot or Warm Dark Matter, Y.F. Li, Zhi-zhong Xing, arXiv:1110.2293, 2011
• Search for sterile neutrinos at reactors with a small core, Osamu Yasuda, arXiv:1110.2579, 2011
• Impact of eV-mass sterile neutrinos on neutrino-driven supernova outflows, Irene Tamborra, Georg G. Raffelt, Lorenz Huedepohl, Hans-Thomas Janka, arXiv:1110.2104
• Theory of Antineutrino Monitoring of Burning MOX Plutonium Fuels, A.C. Hayes, H.R. Trellue, Michael Martin Nieto, W.B. WIlson, arXiv:1110.0534, 2011
• A full parametrization of the 6 X 6 flavor mixing matrix in the presence of three light or heavy sterile neutrinos, Zhi-zhong Xing, arXiv:1110.0083, 2011
• High Power, High Energy Cyclotrons for Decay-At-Rest Neutrino Sources: The DAEdALUS Project, Jose R. Alonso, arXiv:1109.6861
• Simulation of Reactors for Antineutrino Experiments Using DRAGON, L. Winslow, arXiv:1109.6632, 2011
• Search for Sterile Neutrinos with a Radioactive Source at Daya Bay, D.A. Dwyer, K.M. Heeger, B.R. Littlejohn, P. Vogel, arXiv:1109.6036, 2011
• Reactor Simulation for Antineutrino Experiments using DRAGON and MURE, C.L. Jones, A. Bernstein, J.M. Conrad, Z. Djurcic, M. Fallot, L. Giot, G. Keefer, A. Onillon, L. Winslow, arXiv:1109.5379, 2011
• Towards 3+1 Neutrino Mixing, Carlo Giunti, Marco Laveder, arXiv:1109.4033, 2011
• FPCP 2011 Concluding Talk: A Theorist Overview on Particle Physics, G. Altarelli, arXiv:1108.3514, 2011
• Atmospheric neutrinos as a probe of eV^2-scale active-sterile oscillations, Raj Gandhi, Pomita Ghoshal, arXiv:1108.4360, 2011
• Symmetrical Parametrizations of the Lepton Mixing Matrix, W. Rodejohann, J.W.F. Valle, arXiv:1108.3484, 2011
• Testing Nonstandard Neutrino Properties with a Moessbauer Oscillation Experiment.
• P.A.N. Machado, H. Nunokawa, F.A.Pereira dos Santos, R.Zukanovich Funchal, arXiv:1108.3339, 2011
• Lorentz- and CPT-violating models for neutrino oscillations, Jorge S. Diaz, Alan Kostelecky, arXiv:1108.1799, 2011
• Search for Sterile Neutrinos at Reactor, O. Yasuda, arXiv:1107.4766v1, 2011
• New approach to anti-neutrino from muon decay at rest, Sanjib Kumar Agarwalla, arXiv:1107.4951, 2011
• Parametrization of Seesaw Models and Light Sterile Neutrinos, M. Blennow, E. Fernandez-Martinez, arXiv:1107.3992, 2011
• The current status of neutrino mixing, J. Evans, arXiv:1107.3846, 2011
• Sterile Neutrinos, Coherent Scattering and Oscillometry Measurements with Low-temperature Bolometers, J. A. Formaggio, E. Figueroa-Feliciano, A.J. Anderson, arXiv:1107.3512, 2011
• Discrete Flavour Symmetries in Light of T2K, R. de Adelhart Toorop, F. Feruglio, C. Hagedorn, arXiv:1107.3486, 2011
• An Alternative Interpretation for the Gallium and Reactor Antineutrino Anomalies.
• P.A.N. Machado, H. Nunokawa, F.A.Pereira dos Santos, R.Zukanovich Funchal, arXiv:1107.2400, 2011 
• A proposed search for a fourth neutrino with a PBq antineutrino source.
• M. Cribier, M. Fechner, Th. Lasserre, et al., arXiv:1107.2335, 2011
• Perspectives in Neutrino Physics, G. Altarelli, arXiv:1107.1980, 2011
• 3+1 and 3+2 Sterile Neutrino Fits, C. Giunti, M. Laveder, arXiv:1107.1452, 2011
• Short baseline neutrino oscillations: when entanglement suppresses coherence, D. Boyanovsky, arXiv:1106.6248, 2011
• Evidence of theta(13)>0 from global neutrino data analysis, G.L. Fogli, E. Lisi, A. Marrone, A. Palazzo, A.M. Rotunno, arXiv:1106.6028, 2011
• Limits on Electron Neutrino Disappearance from the KARMEN and LSND electron neutrino - Carbon Cross Section Data, J.M. Conrad, M.H. Shaevitz, arXiv:1106.5552, 2011
• Sterile Neutrino Fits, C. Giunti, arXiv:1106.4479, 2011
• Analysis of KATRIN data using Bayesian inference, A. Sejersen Riis, S. Hannestad, C. Weinheimer, arXiv:1105.6005, 2011
• Large short-baseline numubar disappearance, C. Giunti, M. Laveder, Phys. Rev. D 83, 053006 (2011)
• Possible, alternative explanations of the T2K observation of the nu_e appearance from an initial nu_mu, D.Gibin, A Guglielmi, F. Pietropaolo, C. Rubbia, P. Sala, arXiv:1106.4417, 2011
• Neutrino-less Double Beta Decay and Particle Physics, W. Rodejohann, arXiv:1106.1334, 2011
• Cross-sections of long and short baseline neutrino and antineutrino oscillations of which some change the flavor, J. Soln, arXiv:1106.0493, 2011
• Minimal models with light sterile neutrinos, A. Donini, P. Hernandez, J. Lopez-Pavon, M. Maltoni, arXiv:1106.0064, June 2011
• Short-baseline Neutrino Oscillation Waves in Ultra-large Liquid Scintillator Detectors, S. Kumar, J. Conrad, M. Shaevitz, arXiv:1105.4984, May 2011
• Light Sterile Neutrinos: Model and Phenomenology, J. Barry, W. Rodejohann, H. Zang, arXiv:1105.3911, 2011
• Probing the fourth neutrino existence by neutral current oscillometry in the spherical gaseous TPC, J.D. Vergados, Y. Giomataris, Yu.N. Novikov, arXiv:1103.5307,2011.
• Neutrino masses and oscillations, S.M. Bilenky, arXiv:1105.2306
• Testing the very-short-baseline neutrino anomalies at the solar sector, A.Palazzo, arXiv:1105.1705, 2011.
• The next-generation liquid-scintillator neutrino observatory LENA, Michael Wurm et al., arXiv:1104.5620
• Captures of Hot and Warm Sterile Antineutrino Dark Matter on EC-decaying Ho-163 Nuclei., Y. F. Li, Z. Xing, arXiv:1104.4000, 2011
• How Additional Massless Neutrinos Affect the Cosmic Microwave Background Damping Tail, Z. Hou, R. Keisler, L. Knox, M. Millea, C. Reichardt, arXiv:1104.2333, 2011
• On the search of sterile neutrinos by oscillometry measurements, J.D. Vergados, Y. Giomataris, Yu. N. Novikov, arXiv:1105.3654, 2011.
• Searching for sterile neutrinos in ice, Soebur Razzaque, A.Yu. Smirnov, arXiv:1104.1390
• Natural Four-Generation Mass Textures in MSSM Brane Worlds,Richard F. Lebed, Van E. Mayes, arXiv:1103.4800
• Resolving the Reactor Neutrino Anomaly with the KATRIN Neutrino Experiment, J. A. Formaggio J. Barrett, arXiv:1105.1326, 2011.
• Reactor sterile neutrinos, dark energy and the age of the universe, J. R. Kristiansen, O. Elgaroy, arXiv:1104.0704, 2011.
• Global neutrino data and recent reactor fluxes: status of three-flavour oscillation parameters, Schwetz, Thomas, Tortola, Mariam, Valle, J. W. F., arXiv:1103.0734, 2011
• Are there sterile neutrinos at the eV scale?, J. Kopp, M. Maltoni, T. Schwetz, arXiv:1103.4570, 2011.
• Joint analysis of spectral reactor neutrino experiments, V.V. Sinev, arXiv:1103.2452, 2011.
• Constraints on massive sterile neutrino species from current and future cosmological data, E. Giusarma et al., arXiv:1102.4774, 
• Neutrino oscillations with disentanglement of a neutrino from its partners, D.V. Ahluwalia, S.P. Horvath, arXiv:1102.0077

Experimental tests of the Reactor Antineutrino Anomaly:

White Paper on Sterile Neutrinos 

This white paper builds upon the Sterile Neutrinos at the Crossroads Workshop held at Virginia Tech, Septermber 26-28, 2011. The workshop was designed to examine the evidence for and against light sterile neutrinos coming from all areas of physics (particle, nuclear, astrophysics and cosmology) and to explore possible new experiments that could be mounted to resolve the issue. At the conclusion of the workshop the concensus view of the participants was that a white paper should be written to layout the theory, review the experimental and observational data and summarize proposals for possible future experiments relevant to the light sterile neutrino.

Outline and Section Editors 

(Editors: Patrick Huber, Virginia Tech and Jon Link, Virginia Tech)

1. Theory and Motivation
   (Section Editors: Gabriela Barenboim, Valencia and Werner Rodejohann, MPI Heidelberg)
2. Astrophysical Evidence
   (Section Editors: Kev Abazajian, UC Irvine and Yvonne Wong, Aachen)
3. Evidence from Oscillation Experiments
   (Section Editors: Joachim Kopp, FNAL and Bill Louis, LANL)
4. Global Picture
   (Section Editors: Thierry Lasserre, CEA Saclay and Thomas Schwetz, MPI Heidelberg)
5. Requirements for Future Measurements
   (Section Editors: Bonnie Fleming, Yale and Joe Formaggio, MIT)
6. Appendix: Possible Future Experiments
   (Section Editors: Patrick Huber, Virginia Tech and Jon Link, Virginia Tech

Published as : arXiv:1204.5379

articleScienceetVie_neutrino_la_particule_01062012.pdf

Moyens d'investigation

Un détecteur de Double-Chooz est constitué de volumes concentriques imbriqués les uns dans les autres à la manière des  "poupées russes". chaque région est remplie de liquides de densité similaire mais de propriétés optiques différentes. Les cœurs des deux détecteurs doivent être identiques.

• Le détecteur « proche » est situé à 400 m des cœurs des réacteurs et sous l’équivalent de 45 mètres de roche. Un tunnel de 200 m environ et un nouveau laboratoire neutrino sont à l'étude en collaboration avec EDF.

• Le détecteur « lointain » est situé à 1,05 km des coeurs des réacteurs (en moyenne) et offre la possibilité de réutiliser le laboratoire existant pour accueillir la nouvelle expérience. La taille du hall du laboratoire et de la cuve déjà existante (7 mètres de diamètre et 7 mètres de hauteur) contraint la taille du nouveau détecteur.

 L’architecture préliminaire d’un détecteur est la suivante :

Région I : volume fiduciel (Target ) est composé de :

Un volume de 10,3 m3 de liquide scintillant dopé au gadolinium (0,1% de Gd) sont contenu dansne enceinte cylindrique en acrylique étanche mais transparente aux photons visibles; cette enceinte constitue le cœur du détecteur car c'est là que les neutrinos qui interagissent sont comptabilisés. u
Un système de calibration qui permet le déploiement de sources pour mesurer la fonction de réponse du détecteur (en fonction de l’énergie et de la position du dépôt d’énergie) 
Calibration :
Une calibration hebdomadaire sera faite au moyen d’une ligne de pécheur pour déployer des sources selon l’axe verticale du détecteur.
Une calibration exceptionnelle sera réalisée quelquefois par an à l’aide d’un bras articulé permettant d’évaluer la réponse du détecteur en tout point de la cible. Ce système sera très important pour la comparaison des deux détecteurs. Il n’est pas nécessaire pour la phase de

Double Chooz avec le détecteur lointain uniquement. 

Région II : volume calorimètre à positron (ou Gamma Catcher) :

Un volume de 22,6 m3 utilisé principalement comme calorimètre. Ainsi, l’ensemble du spectre en énergie des antineutrinos pourra être mesuré (y compris les neutrinos interagissant au bord de la cible qui seraient mal mesuré en l'absence de cette zone scintillante additionnelle). On ne met pas de Gadolinium pour discriminer les interactions de neutrinos dans cette région.

Le Gamma Catcher est composé de :

- Une épaisseur de 55 cm de liquide scintillant enrobant la région I, contenue dans
- Une enceinte acrylique cylindrique étanche mais transparente aux photons visibles.
- Calibration
- Un système de calibration tubulairegCatcher. Il n’y aura sans doute qu’un tube inox. à l’étude afin de faire circuler des sources radioactives dans le

Région III : le Buffer

Il protège la cible et le Gamma Cacther de la radioactivité résiduelle des tubes photomultiplicateurs et des matériaux extérieurs au Buffer.

Il est composé de
- Une épaisseur de 105 cm d'huile non scintillante contenue dans
- Une enceinte rigide de 114 m3 en acier inoxydable basse radioactivité, étanche, opaque qui servira aussi de maintient à la structure porteuse des tubes photomultiplicateurs.
- 390 tubes photomultiplicateurs 8’’, couvrant une surface efficace de ~13%. 

- Calibration
- Un système de calibration tubulaire accroché à 5 cm à l’extérieur de l’enceinte acrylique GC afin de calibrer le GC avec des sources gamma.

Région IV : veto de muons interne (Inner Muon VETO)

Son but est de détecter les muons qui traversent le détecteur, particulièrement la cible et le GC, ainsi que les muons qui s’arrêtent dans le détecteur. On éliminera off-line les évènements associés (dans une fenêtre temporelle de quelques centaines de micro secondes de part et d'autre); cela permettra aussi de signer les bruits de fonds.

Cette fonction sera assurée par
- Une épaisseur de 50 cm d’huile minérale faiblement scintillante contenue dansune enceinte étanchevue par ~ 70 tubes photomultiplicateurs 8¨

Région V: Blindage contre la radioactivité des roches environnantes (Steel shielding)
Ce blindage est composé de deux élément :
- 15 cm de fer basse radioactivité pour protéger l’intérieur du détecteur de la radioactivité des roches qui entourent le puits. Ce blindage peut prendre une forme différente pour le détecteur proche puisque la taille du puits qu’il faudra construire n’est pas encore figée (une épaisseur plus importante de sable par exemple)
- Ce blindage est recouvert par une cuve de 1 cm de fer basse radioactivité. Cette enceinte garantie l’étanchéité du détecteur.

Région VI : Veto de muons externe (Outer Veto)

Cet élément de détecteur permet d’augmenter la réjection des bruits de fond induits par les muons. Il permettra de corréler les bruits de

fond induits par les neutrons dans le cœur du détecteur aux gerbes de muons qui passent dans la roche à coté des zones instrumentées, en générant des neutrons rapides qui peuvent pénétrer dans la zone sensible. Il sera essentiellement constitué de barreau de scintillateur plastique, sur 2 voire 4 couches, lues d’un seul où des deux extrémités par des tubes photomultiplicateur. Ces différentes variantes seront précisées en fonction du financement. Les architectures de l’Outer Veto du détecteur lointain et du détecteur proche seront différentes. Dans tous les cas la surface de couverture de ce veto restera constante.

Site lointain : un ‘lower Outer Veto’ extérieur composé de 2 panneaux (6,4m X 6,4m) à la surface du détecteur sous la Glove Box+ un ‘Upper outer Veto’ composé d’un panneau au dessus de la Glove Box.

Site proche : un ‘lower outer veto ‘ composé de 4 panneaux (6,4m X 6,4m) + un ‘upper Outer Veto’ composé d’un panneau.

• France :
• CNRS/IN2P3/APC
• CNRS/IN2P3/Subatech
• CNRS/IN2P3/Strasbourg
• IRFU CEA/Saclay
• Germany :
• Eberhard-Karls Universität Tübingen
• Max Planck Institut für Kernphysik Heidelberg
• Technischen Universität München
• Physikalisches Institut RWTH Aachen
• Universität Hamburg
• Japan :
• Hiroshima Institute of Technology
• Kobe University
• Miyagi University of Education
• Niigata University
• Tohoku Gakuin University
• Tokyo Institute of Technology
• Tokyo Metropolitan University
• Tohoku University
• Russia :
• Institute for Nuclear Research RAS
• Institue of Physical Chemistry RAS
• RRC Kurchatov Institute
• Spain :
• CIEMAT
• UK :
• University of Oxford
• University of Sussex
• USA :
• Argonne National Laboratory
• Drexel University
• Illinois Institute of Technology
• Kansas State University
• Lawrence Livermore National Laboratory
• Louisiana State University
• Sandia National Laboratories
• University of Alabama
• University of Notre Dame
• University of Tennessee

Historique et principaux jalons

Lien entre Double Chooz et la non proliferation

La détection des antineutrinos utilise la réaction anti-neutrino_e + p --> e⁺ + n. Le ralentissement du positron, puis son annihilation, suivie quelques dizaines de µsec plus tard du signal de la capture du neutron, signent cette réaction. La cible est constituée d’un liquide scintillant (PXE, huile minérale) où l’on dissout environ 1 ‰ de Gadolinium, noyau possédant une très grande section efficace de capture des neutrons. Ce liquide est regardé par 390 photomultiplicateurs. L’expérience dite « Double Chooz » vise à installer deux détecteurs identiques, un à 400 mètres du réacteur pour normaliser le flux d’antineutrinos, l’autre à 1 km pour mesurer la fraction d’antineutrinos « disparus » en oscillant vers des antineutrinos d’une autre saveur. Les mesures récentes de plusieurs paramètres d’oscillation permettent à présent d’affirmer que les antineutrinos de réacteurs, émis avec une énergie moyenne de 3 MeV, n’ont pas le temps d’osciller sur une distance de 400 m. Le détecteur proche de Double Chooz offre donc un laboratoire unique d’observation à distance d’une installation nucléaire à travers son flux d’antineutrinos.

Les conclusions d’un colloque organisé à Vienne les 17 et 18 décembre 2003 par l’AIEA font clairement ressortir l’intérêt potentiel de cette nouvelle méthode de contrôle. En effet, le spectre des antineutrinos émis à l’issue de la fission d’un noyau de plutonium 239 est moins énergétique que celui associé à la fission d’un noyau d’uranium 235. Le nombre moyen d’antineutrinos est lui aussi différent. Il y aurait donc là un moyen permettant en principe de discriminer entre un fonctionnement fortement plutonigène et un autre qui ne le serait pas.

L’AIEA a fait l’inventaire des scénarios malveillants permettant la production « discrète » de plutonium dans une centrale nucléaire. À chacun correspond une signature bien précise en termes d’antineutrinos (flux, spectres énergétiques, évolution temporelle). Un détecteur efficace d’antineutrinos permettrait donc de repérer les situations litigieuses ou mensongères. Cette idée n’a a priori rien d’utopique : l’expérience KamLAND, construite au Japon en marge de SuperKamiokande à des fins de physique fondamentale (son but est d’observer les oscillations des antineutrinos), permet déjà de compter avec une très bonne précision les antineutrinos émis par les réacteurs nucléaires japonais situés à une distance moyenne de 180 km.

Description de l'expérience Double Chooz

La physique des neutrinos a accompli dans les cinq dernières années des progrès considérables. De tous ces travaux, il résulte que les neutrinos sont massifs, bien que plusieurs millions de fois plus légers que l’électron, et que les trois espèces de neutrinos existantes (ν_e, ν_μ, ν_τ) ont cette propriété étonnante de convertir leur saveur leptonique par le phénomène d’oscillation. Il s’agit d’un indice tangible de l’existence d’une physique non décrite par le Modèle Standard Minimal de la physique des particules.

D’une façon similaire à ce que l’on observe dans le secteur des quarks, le phénomène d’oscillation de neutrinos dépend de trois angles de mélange, θ₁₂, θ₂₃ et θ₁₃, ainsi que d’un terme complexe, la phase de violation de symétrie CP. Ce dernier terme pourrait être à l’origine de l’asymétrie matière antimatière de l’Univers observable. L’amplitude de la violation de CP dans le secteur des leptons dépend directement de la valeur des angles de mélanges θ₁₂, θ₂₃ et θ₁₃, mesurables par les expériences d’oscillation de neutrinos. Jusqu'à présent, seuls les deux angles θ₁₂ et θ₂₃ ont été mesurés de façon assez précise. Ils ont tous deux des valeurs étonnamment élevées en comparaison avec le secteur des quarks. Par contre, la valeur de l’angle θ₁₃ reste mal connue. Autant pour comprendre la phénoménologie des oscillations de neutrinos, qu'en vue d'une mesure de violation de CP dans le secteur des leptons, une expérience mesurant proprement θ₁₃ permettrait de définir clairement la feuille de route de la physique des neutrinos dans les vingt prochaines années.

 Parmi tous les moyens déjà envisagés pour mesurer cet angle de mélange, l’expérience Chooz (France) a seulement réussi à contraindre sa valeur, sin²(2θ₁₃)<0,20 (90% C.L., pour Δm²_atm = 2,010^-3 eV²). Il s’agit de la meilleure contrainte mondiale actuelle ; elle nous apprend déjà que θ₁₃ est significativement plus petit que les deux autres angles θ₁₂ et θ₂₃. L’expérience Double Chooz se propose d’améliorer la sensibilité de la première expérience en recherchant la troisième oscillation de neutrinos (1 à 3) jusqu’à sin²(2θ₁₃)>0,04-0,05 (découverte à « 3σ », Δm²_atm=2,0 10^-3 eV² et connu avec une précision de 20%). Par contre la limite supérieure serait améliorée à sin²(2θ₁₃)<0,02-0,03 (90% C.L., Δm²_atm=2,0 10^-3 eV²) si aucune disparition d’antineutrinos électroniques n’était observée. Bien qu’il n’y ait pas de consensus dans ce domaine, certains modèles prévoient actuellement des valeurs de θ₁₃ proches de la limite actuelle donnée par l’expérience

Principe de la mesure de l'angle θ13 dans Double Chooz

Depuis la découverte des antineutrinos par Reines et Cowan en 1956 jusqu'à la mise en évidence récente de la disparition d'antineutrinos de réacteurs à grande distance (200 km) par l'expérience KamLAND au Japon, les expériences d'oscillation de neutrinos auprès de réacteurs nucléaires n'ont jamais quitté le devant de la scène. Elles exploitent les antineutrinos électroniques de faible énergie (2-10 MeV) produits au cours des désintégrations bêta lors des fissions nucléaires, sources de la production d’énergie au cœur des réacteurs.

Les réacteurs nucléaires sont des sources copieuses d’antineutrinos électroniques. Ces derniers sont susceptibles de se transformer périodiquement en antineutrinos d’une autre saveur au cours de leur propagation : c’est le phénomène d’oscillations de neutrinos recherché. Pour mettre en évidence cet effet, il faut mesurer les flux de neutrinos à différentes distances.

Le concept novateur de Double Chooz est d’utiliser deux détecteurs identiques de neutrinos. Le premier détecteur (dit « détecteur proche ») sera localisé à 400 mètres des deux cœurs de la centrale de Chooz pour mesurer précisément le flux et le spectre énergétique des antineutrinos émis. Un nouveau laboratoire devra être construit à cet effet pour abriter le détecteur, en partenariat avec EDF qui a donné son aval à l’implantation de l’expérience sur le site de la centrale. Le second détecteur (dit « détecteur lointain ») sera localisé à 1 kilomètre des cœurs, dans la cavité déjà construite et aménagée par EDF pour la première expérience à Chooz, dans les années 1990. La disponibilité du site lointain constitue l’avantage principal de faire une deuxième expérience à Chooz.

Pour atteindre la précision voulue il faut minimiser les bruits de fond les plus nuisibles qui sont induits par le rayonnement cosmique naturel et les matériaux du détecteur (contraintes de basse radioactivité). Il est nécessaire « d’enterrer » les deux détecteurs. Le site du détecteur lointain est déjà construit sous 100 mètres de roche (l’équivalent de 300 mètres d’eau). Le détecteur proche devra quant à lui être protégé par environ 45 mètres de roche ou équivalent (enterré, et recouvert d’un monticule de terre ou de gravier).

Le principe de la mesure est de chercher une déviation à la loi en 1/D² aux distances (D) des deux détecteurs qui serait directement imputable au phénomène d’oscillation des neutrinos ; l’observation et la mesure d’une telle déviation permettraient de remonter à la valeur de l’angle de mélange recherché. Comparativement aux meilleures expériences déjà réalisées dans ce domaine – la première expérience à Chooz en France, et l’expérience KamLAND au Japon – la nouvelle expérience d’oscillation de neutrinos de réacteurs devra réduire les erreurs systématiques de mesure du signal. Pour obtenir la sensibilité requise, l’ensemble des erreurs systématiques de cette mesure doit être ramenée au dessous du pourcent (entre trois et cinq fois plus faible que la première expérience à Chooz). C’est le défi technique de cette expérience. La comparaison directe entre les signaux des deux détecteurs présente l’avantage de minimiser un grand nombre d’effets systématiques détériorant la précision de la mesure de θ₁₃. Des simulations ont été effectuées, et ont montré que l’objectif de l’expérience pouvait être atteint.

La détection des antineutrinos utilise la réaction anti-ν_e + proton donne positron (e⁺) + neutron. Le ralentissement du positon (e⁺), puis son annihilation, suivi quelques dizaines de µs plus tard du signal de la capture du neutron, signent cette réaction. L’énergie du positron doit être mesurée pour remonter à l’énergie de l’antineutrino incident.

Résultats attendus pour la mesure de l'angle de mélange θ₁₃

La meilleur contrainte sur l’angle de mélange θ₁₃ a été donnée par l’expérience Chooz ; elle a seulement réussi à contraindre sa valeur, sin²(2θ₁₃)<0,20 (90% C.L., pour Δm² = 2,0 10^-3 eV²).

L’expérience Double Chooz se propose d’améliorer la sensibilité de la première expérience en recherchant la troisième oscillation de neutrinos (1à3) jusqu’à sin²(2θ₁₃) > 0,04-0,05 (découverte à « 3σ », Δm²=2,0-2,4 10^-3 eV² et connu avec une précision de 20%).

Par contre la limite supérieure serait améliorée à sin²(2θ₁₃)<0,02-0,03 (90% C.L., Δm²=2,0-2,4 10^-3 eV²) si aucune disparition d’antineutrinos électroniques n’était observée.

L’expérience Double Chooz a une sensibilité meilleure que les expériences sur accélérateurs en cours de construction ou en démarrage : MINOS ou OPERA; en effet, ces dernières ont été optimisées pour d’autres objectifs de physiques. Double Chooz aura une sensibilité similaire aux futures expériences T2K et Nova. Ces dernières mesurent cette oscillation dans un autre canal (transition de neutrinos muoniques vers électroniques) ce qui rend les deux types de mesure complémentaires. Double Chooz est une expérience à plus petite « échelle » que les projets sur accélérateurs, mais elle pourrait être la première à observer la 3ème oscillation des neutrinos si sin²(2θ₁₃)

 Publications

Le goupe du DAPNIA a eu les responsabilités d'édition de la lettre d'intention européenne (arXiv:hep-ex/0405032), du proposal (arXiv:hep-ex/0606025), et du Technical Design report de l'expérience Double Chooz 

Thèses 

•  groupe du DAPNIA acceuille deux étudiants qui défendrons leur thèse en 2010.

Stages

•  Le groupe acceuille par ailleurs trois étudiants en stage de master2 chaque année, et a encadré deux étudiants en stage d'IUT en 2006 et 2007 et une étudiante en stage d'école d'ingénieur en 2007. 

Liens

http://doublechooz.in2p3.fr/Public/

Documents

 Lancement de l'expérience "Double Chooz"

Lettre d'intention

Proposal

0606025_updated.pdf

poster CEA 1.pdf: Le neutrino en physique des particules

poster CEA 2.pdf: Double Chooz - Recherche des Oscillations de Neutrino

poster CEA 3.pdf: Les Sites de l'Expérience Double Chooz

poster CEA 4.pdf: La Détection des Neutrinos dans l'Expérience Double Chooz

poster CEA 5.pdf: Le Détecteur de Neutrinos Double Chooz

poster CEA 6.pdf: Double Chooz - Une Collaboration Internationale en Champagne-Ardenne

poster CEA 7.pdf: Double Chooz - Etude des OScillations de Neutrinos