T2K

L’expérience T2K (Tokai to Kamioka)  est actuellement leader mondiale pour l’étude des oscillations de neutrinos sur une longue distance à partir de faisceaux de neutrinos et d’anti-neutrinos muoniques.

Les neutrinos se déclinent en trois types différents (appelés 'saveurs') : νe, νμ ou ντ. Durant les quinze à vingt dernières années, plusieurs expériences ont prouvé que les neutrinos sont soumis à un phénomène quantique dit « d’oscillation » d’un type à l’autre. L’observation des oscillations des neutrinos permet d’affirmer que ces particules sont massives, contrairement aux énoncés du Modèle Standard.

 

La probabilité d’oscillation est une fonction de L/E, où E est l’énergie du neutrino et L la longueur parcourue par le neutrino entre ses points de production et de détection.

 

Suivant la saveur du neutrino (νe, νμ ou ντ) au moment de sa détection, un électron (e), un muon (μ) ou un tau (τ) peut être produit par interaction faible avec un nucléon dans la matière.  Ainsi à partir d’un faisceau de neutrinos muoniques, on peut détecter des neutrinos électroniques loin de la source de neutrinos. Les neutrinos « tau » ne peuvent pas être détectés puisque l’énergie des neutrinos du faisceau de T2K n’est pas suffisante pour créer une particule tau via l’interaction faible. Si l’on compare le nombre de neutrinos muoniques parmi ceux produits à la source, qui devraient être détectés loin de la source en l’absence d’oscillation, au nombre de neutrinos réellement détectés, le phénomène d’oscillation des neutrinos muoniques principalement en neutrinos « tau » se manifeste donc comme une « disparition » de neutrinos muoniques.

 

 

Les faisceaux de neutrinos sont produits par un accélérateur du laboratoire J-PARC à Tokai et sont dirigés vers Super Kamiokande un detecteur situé à 295km à Kamioka. Le détecteur proche ND280 (280m) mesure les propriétés du faisceau avant  l’oscillation, ainsi que les sections efficaces d’interaction des neutrinos avec les noyaux atomiques. Ces mesures sont cruciales pour pouvoir extraire précisément les paramètres d’oscillation des neutrinos à partir des données de Super Kamiokande.

 

L’expérience T2K enregistre des données depuis 2009. Son but initial était de mesurer l’angle θ13 de la matrice PMNS de mélange des neutrinos. En 2011 T2K a donné les premières indications (à 2.5 σ) d’un angle θ13 différent de zéro. T2K présentait en 2013 la première observation de l’oscillation des neutrinos muoniques en neutrinos électroniques ("Apparition des neutrinos électroniques"). Ce fut la première observation directe de l’apparition d’une nouvelle saveur de neutrino par le phénomène d’oscillation.

 

A présent, avec davantage de données, T2K a commencé l’étude exploratoire de la violation de CP dans le secteur des leptons, en se basant sur l’analyse combinée des données collectées en utilisant un faisceau de neutrinos, avec les données collectées avec un faisceau d’anti-neutrinos. Les derniers résultats ont été présentés à la conférence ICHEP 2016 [arXiv:1701.00432]. L’échantillon de données utilisé inclut les séquences de prise de données entre janvier 2010 et mai 2016.  Cela correspond pour les événements détectés par Super Kamiokande, à 32 candidats de type électron (e- ou e+) et 135 candidats de type muon (μ+ ou μ-) avec le faisceau de neutrino, et à 4 candidats de type électron et 66 candidats de type muon avec le faisceau d’antineutrinos. En utilisant la contrainte sur sin2(2θ13) issue des expériences de neutrinos auprès de réacteurs nucléaires, l’hypothèse de conservation de la symétrie CP (équivalent à une valeur δCP=0 ou π pour le paramètre de la matrice PMNS) est exclue à 90% de degré de confiance. Ce premier indice de l’existence d’une violation de CP dans le secteur leptonique, s’il est confirmé ultérieurement, pourrait aider à mieux comprendre l’origine de l’asymétrie entre matière et antimatière observée dans l’univers, et ouvrir une voie d’étude d’une nouvelle physique.

 

 

L’ Irfu a conçu et construit l’électronique front-end ainsi que les détecteurs "bulk" Micromegas pour les TPCs qui représentent un élément crucial du détecteur proche ND280. Les TPCs permettent de mesurer les impulsions des muons et des électrons produits par les interactions des neutrinos, avec une précision meilleure que 10% jusqu’à 1GeV/c. Les TPCs permettent également l’identification des électrons et des muons.

 

Les physiciens du DPhP travaillent à présent sur l’analyse des données du détecteur proche, principalement pour mesurer les sections efficaces d’interaction des neutrinos avec les noyaux atomiques. Ces mesures s’avèrent cruciales pour réduire les incertitudes systématiques qui limitent la précision des analyses d’oscillation. En effet, malgré les récents progrès des réalisés pour inclure les effets nucléaires dans les modèles d’interaction des neutrinos, d’importantes incertitudes théoriques demeurent. Une autre analyse des données du détecteur proche est consacrée à la recherche d’un hypothétique neutrino droit et stérile, à l’échelle du GeV.

 

L’équipe T2K du SPP est aussi engagée dans le développement d’un détecteur pour les futures expériences d’oscillation de neutrinos sur une longue ligne de base, tel que le projet WA105 au CERN, reposant sur une technique de TPC à Argon liquide à double phase.

 

Contact : Marco Zito

 

Maj : 24/07/2017 (2032)

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