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T2K

par Webmaster - 2 octobre 2019

T2K

L’expérience T2K recherche des oscillations de neutrinos à grande distance et plus particulièrement l’apparition de νe dans un faisceau de νμ.

Oscillations de neutrinos

Comprendre pourquoi l’Univers est aujourd’hui dominé par la matière plutôt que de contenir matière et antimatière à parts égales est une des questions fonda- mentales de la physique actuelle. L’une des conditions pour que se développe cette prépondérance de la matière sur l’antimatière est qu’il existe une violation de la symétrie de Charge-Parité (CP), violation qui se manifesterait par une différence entre les probabilités d’oscillation des neutrinos et des antineutrinos.


Dans l’expérience T2K, installée au Japon, un faisceau de neutrinos ou d’antineutrinos de type muoniques est produit au centre de recherche JPARC (Tokai), sur la côte Est du Japon et envoyé en direction du gigantesque détecteur souterrain Super-Kamiokande (SK), 295 km plus loin. Après une première campagne de mesures utilisant
le faisceau de neutrinos, l’expérience T2K
a pu établir la première observation de l’apparition d’une saveur de neutrino différente de celle de départ par le phénomène d’oscillation. Ce résultat très important a valu à la collaboration T2K l’obtention du
« Breakthrough Prize for Fundamental Physics » 2016. Ayant depuis accumulé également des données en antineutrinos, la collaboration T2K a pu comparer le nombre de neutrinos et d’antineutrinos dans les saveurs muonique et électronique. On a alors mis en évidence que le taux d’apparition de l’antineutrino électronique était plus faible que celui attendu dans l’hypothèse où la symétrie CP serait conservée. T2K observe 32 ν e et 4 anti-νe quand on en attend 24 et 7 dans l’hypothèse où il n’y a pas de violation de CP (ce résultat est basé sur 7.48x1020 en neutrinos et 7.47x1020 en antineutrinos). Analysées dans le cadre complet des 3 saveurs de neutrinos et d’antineutrinos et combinées à la mesure de disparition des anti-νe dans les expériences auprès de réacteurs nucléaires, les données de T2K privilégient une violation maximale de CP.

La signification statistique de ce résultat est encore insuffisante : la probabilité que cette observation soit le résultat d’une fluctuation statistique aléatoire qui simulerait une asymétrie neutrino-antineutrino est
de 10 %. Ce résultat important a fait l’objet d’une publication remarquée début 2017 et nécessitera plus de données en neutrinos et en antineutrinos pour être confirmé. C’est le but que s’est fixé la collaboration T2K qui envisage, au delà de la statistique prévue (7.8 x 1021 protons sur cible), attendue pour 2021, de poursuivre l’expérience pendant encore 4 ans avec un détecteur proche amélioré et atteindre ainsi une sensibilité de 3σ pour mettre en évidence la violation de la symétrie CP, une première pour le secteur des neutrinos.

Les contributions du groupe du LPNHE ont porté entre autres sur la maîtrise du faisceau, l’accroissement de l’acceptance du détecteur proche, l’ajustement global dans l’analyse d’oscillation et la mesure des sections efficaces d’interaction de neutrinos dans le détecteur proche. La sensibilité de l’expérience est conditionnée par une bonne connaissance du faisceau : c’est l’analyse des données de l’expérience ancillaire de hadroproduction NA61/SHINE au CERN, menée essentiellement au LPNHE, qui a permis de réduire de 20 % à 8 % les incertitudes systématiques sur la connaissance du flux de neutrinos extrapolé à Super-Kamiokande. Cette incertitude devrait être ramenée à 5 % avec l’intégration des données prises par NA61 sur une cible réplique de T2K. Une autre limitation de la comparaison des données à SK avec celles du détecteur proche (ND280) vient de l’acceptance réduite, par construction, de ce détecteur pour les traces à grand angle ou vers l’arrière. Un développement sur la reconstruction des traces dans les détecteurs à projection temporelle (TPC) a permis d’augmenter cette acceptance, en attendant qu’une meilleure couverture angulaire soit assurée par l’upgrade du détecteur et l’adjonction de nouvelles TPC. L’analyse d’oscillation globale, incluant tout à la fois l’apparition de νe et la disparition de -νμ mais également l’apparition d’anti-νe et la disparition d’anti-νμ est sensible aux paramètres du mécanisme d’oscillation, en particulier la phase de violation de CP, δCP. Pour réduire les incertitudes sur les paramètres de flux et de section efficace le groupe a contribué à un ajustement des données du détecteur proche, première étape dans les analyses d’oscillation. Cet ajustement permet de connaître les spectres attendus à SK avec une incertitude de 5 %.

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Intervalles de confiance dans le plan δCP - sin2 θ13 calculés indépendamment pour les 2 hypothèses de hiérarchie de masse des neutrinos, sans utiliser la mesure de θ13 des expériences sur réacteurs nucléaires (bande bleue).

Au delà de T2K, le groupe s’intéresse à la génération suivante d’expérience d’oscillation à grande distance, qui permettra d’étudier en détail la violation de CP dans le domaine leptonique. Deux voies se dessinent. La première se place dans la continuité de T2K : le projet Hyper-Kamiokande utiliserait l’accélérateur de JPARC fonctionnant à plus haute intensité (jusqu’à 1.3 MW à comparer aux 470 kW actuels) après d’importants travaux d’amélioration. Le détecteur proche de T2K subira aussi une mise à jour à laquelle le groupe participera, s’ouvrant la voie à une intégration possible dans la collaboration Hyper- Kamiokande. La deuxième option concerne le projet américain DUNE pour lequel un prototype de détecteur à argon liquide est en construction au CERN pour valider les concepts et les performances à une échelle extrapolable au détecteur final
(4 x 10 kt). Le groupe projette de contribuer au développement des programmes de reconstruction mais participe d’ores et déjà à la prise des données - spécifiques pour les faisceaux américains - de hadroproduction dans NA61/SHINE et à leur analyse. Pour les deux projets, les années 2018 et 2019 vont être décisives et le groupe choisira sont orientation à cette échéance.


Chiffres clés

470 kW puissance de l’accélérateur de JPARC

2.2x1021 protons sur cible cumulés depuis le début de T2K

Retrouvez ce texte dans le rapport d’activité 2015-2017 du LPNHE.

Contact : Boris Popov +33 1 44 27 61 45

Le site de l’expérience T2K

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