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T2K
par Webmaster - 2 octobre 2019
- T2K
Lâexpérience T2K recherche des oscillations de neutrinos à grande distance et plus particulièrement lâapparition de νe dans un faisceau de νμ.
Oscillations de neutrinos
Comprendre pourquoi lâUnivers est aujourdâhui dominé par la matière plutôt que de contenir matière et antimatière à parts égales est une des questions fonda- mentales de la physique actuelle. Lâune des conditions pour que se développe cette prépondérance de la matière sur lâantimatière est quâil existe une violation de la symétrie de Charge-Parité (CP), violation qui se manifesterait par une différence entre les probabilités dâoscillation des neutrinos et des antineutrinos.â¨
Dans lâexpérience T2K, installée au Japon, un faisceau de neutrinos ou dâantineutrinos 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 utilisantâ¨le faisceau de neutrinos, lâexpérience T2Kâ¨a pu établir la première observation de lâapparition dâune saveur de neutrino différente de celle de départ par le phénomène dâoscillation. Ce résultat très important a valu à la collaboration T2K lâobtention 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 dâantineutrinos dans les saveurs muonique et électronique. On a alors mis en évidence que le taux dâapparition de lâantineutrino électronique était plus faible que celui attendu dans lâhypothèse où la symétrie CP serait conservée. T2K observe 32 ν e et 4 anti-νe quand on en attend 24 et 7 dans lâhypothèse où il nây 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 dâantineutrinos 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 dâune fluctuation statistique aléatoire qui simulerait une asymétrie neutrino-antineutrino estâ¨de 10 %. Ce résultat important a fait lâobjet dâune publication remarquée début 2017 et nécessitera plus de données en neutrinos et en antineutrinos pour être confirmé. Câest le but que sâest fixé la collaboration T2K qui envisage, au delà de la statistique prévue (7.8 x 1021 protons sur cible), attendue pour 2021, de poursuivre lâexpérience 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, lâaccroissement de lâacceptance du détecteur proche, lâajustement global dans lâanalyse dâoscillation et la mesure des sections efficaces dâinteraction de neutrinos dans le détecteur proche. La sensibilité de lâexpérience est conditionnée par une bonne connaissance du faisceau : câest lâanalyse des données de lâexpérience 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 lâintégration 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 lâacceptance réduite, par construction, de ce détecteur pour les traces à grand angle ou vers lâarrière. Un développement sur la reconstruction des traces dans les détecteurs à projection temporelle (TPC) a permis dâaugmenter cette acceptance, en attendant quâune meilleure couverture angulaire soit assurée par lâupgrade du détecteur et lâadjonction de nouvelles TPC. Lâanalyse dâoscillation globale, incluant tout à la fois lâapparition de νe et la disparition de -νμ mais également lâapparition dâanti-νe et la disparition dâanti-νμ est sensible aux paramètres du mécanisme dâoscillation, 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 dâoscillation. Cet ajustement permet de connaître les spectres attendus à SK avec une incertitude de 5 %.
- 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 sâintéresse à la génération suivante dâexpérience dâoscillation à grande distance, qui permettra dâétudier 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 lâaccélérateur de JPARC fonctionnant à plus haute intensité (jusquâà 1.3 MW à comparer aux 470 kW actuels) après dâimportants travaux dâamélioration. Le détecteur proche de T2K subira aussi une mise à jour à laquelle le groupe participera, sâouvrant 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 finalâ¨(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 lâaccélérateur de JPARC
2.2x1021 protons sur cible cumulés depuis le début de T2K
Retrouvez ce texte dans le rapport dâactivité 2015-2017 du LPNHE.
Contact : Boris Popov +33 1 44 27 61 45
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