Statut de l’expérience KamLAND n n nTohoku Universityn Plan • Présentation de l’expérience • Oscillation des antineutrinos réacteurs • Première détection des géoneutrinos • Neutrinos solaires 7Be • Résumé Le site • Tester LMA • Ancienne cavité de Kamiokande dans la mine de Mozumi KamLAND A Mozumi on trouve un panneau SK ~ 100 habitants des physiciens quelques singes ours ? de la neige en hiver UN SEUL magasin Le complexe sous-terrain >1 km ~ 2700 mew Electronique lecture Mine Mozumi sous Mt Ikenoyama PMs HV DAQ Générateur air frais Détecteur Système de purification Le détecteur 1000 tonnes de liquide scintillateur 80% dodecane + 20% pseudocumene + PPO Huile minérale Dr = 0.3 % pour garantir la stabilité du ballon Ecran contre les radiations externes 13 m 18 m Purification du LS : • 238U : ~ 3.5 x 10-18 g/g • 232Th : ~ 3.2 x 10-17 g/g 1879 PMs (1325 17’’ + 554 20’’) Couverture : 34% Détecteur externe Cerenkov 3.2 ktonnes eau + 225 PMs → veto µ Seuil de déclenchement ~ 0.7 MeV Un événement Un muon Calibration Sources radioactives, laser, Contaminants radioactifs, µ cosmiques, produits de spallation 68Ge 65Zn 60Co AmBe : 1.012 MeV (g + g) : 1.116 MeV (g) : 2.506 MeV (g + g) : 2.20 , 4.40, 7.6 MeV (g) g n • • • • 12B m Calibration E, T Mesure t de capture n Efficacités des coupures Transport de la lumière Produits de spallation n, Calibration + volume utile 12B 12B (60 / kton-day) t=29.1ms, Q=13.4MeV neutrons (3000 / kton-day) 2<DT<60 msec t~210µs Calibration en énergie • Correction de la charge des PMs (variation du gain, angle solide) • Correction de la non linéarité (Tcherenkov, Birks quenching) Résolution en énergie : 6.2% /√E [MeV] Calibrations des positions le long de Z Corrections temps calibrées par runs laser sposition ~ 20 cm Volume utile Distribution uniforme des produits spalation 12B 5m 5.5 m nfid/ntotal (5.5 m) = 0.607 ± 0.006 (stat) ± 0.006 (syst) Erreur systématique totale du volume utile : 4.7 % Bruit de fond 40K = 1.2x10-16g/g Bruit de fond non corrélé est supprimé par la détection en coincidence prompt-retardé Principe de détection des antineutrinos Coïncidence en temps et espace Désintégration b inverse ne + p e + + n Spectre attendu (sans oscillation) • Signal prompt Ionisation du positron + annihilation Eprompt = En – 0.8 MeV • Signal retardé Capture du neutron sur proton (~ 200 µs + tard) Eretardé = 2.2 MeV Spectre ne réacteurs Section efficace En (MeV) Information réacteurs Companies électriques → puissance thermique et composition du carburant nucléaire 80 % des ne attendus émis entre 140-210 km Sélection des événements réacteurs Coïncidence temporelle : 0.5 μs < ΔT < 1000 μs Coïncidence spatiale : ΔR < 2 m Volume fiduciel : Rprompt, retardé < 5.5 m Energie capture neutron : |Eretardé - 2.2MeV| < 0.4 MeV Energie positron : 2.6 MeV < Eprompt < 8.5 MeV Géo-neutrinos veto Efficacité : 89.8 ± 1.5 % Mar. 9, 2002 – Jan. 11, 2004 515.1 jours de données Veto muons Taux de muons ~ 0.34 Hz OD µ Veto • 2 ms veto sur tout le détecteur après tous les muons (élimine efficacement n spalation) • 2 sec veto sur tout le détecteur pour muons avec gerbe e.m ID (DE = Edétectée – Eattendue(Lµ) > 3 GeV) • 2 sec veto sur tout le détecteur pour les muons mal reconstruits BF spalation corrélé t(n) = 220 µs t(8He) = 171.7 ms t(9Li) = 257.2 ms • 2 sec veto pour le volume situé à 3m de la trace pour les autres muons Temps mort = 9.7% Erreurs systématiques Erreur dominante Systematic Volume utile Seuil E Efficacités coupures Temps vie Pthermique réacteurs Composition carburant Spectre antineutrinos Section efficace Total % 4.7 2.3 1.6 0.06 2.1 1.0 2.5 0.2 6.5 Système Calibration 4p (en cours de test) 4.7→1-1.5% Erreur syst. total ~ 4.6 % Bruit de fond résiduel • Accidentels : 2.69 ± 0.02 • Produits de spallation émetteurs neutron 8He,9Li : 4.8 ± 0.9 Spectre 13C(a,n)16O 13C(a,n)16O : > 99% (a,n) (Section efficace Sekharan et al) • n rapides < 0.89 • 13C(a,n)16O : 10.3 ± 7.1 99% a produits par 210Po 210Pb 210Bi 210Po a (5.3 MeV) 206Pb Total BF : 17.8 ± 7.3 E (MeV) Géo-n Réacteurs n Résultats Nobs – NBG Nexp = PRL 94, 081801 (2005) 258 – 17.8 ± 7.3 = 0.658 ± 0.044 (stat) ± 0.047 (syst) 365 ± 24 Disparition confirmée à 99.998% CL Fit linéaire NBF fixé c2 = 2.1 / 4 90% C.L Variation significative du flux Signal consistant avec antineutrinos réacteurs Analyse du spectre +0.6 Dm2 = 7.9 -0.5 x 10-5 eV2 tan2 q = 0.46 Distorsion spectrale à 99.6 % CL KamLAND + solaires Analyse combinée KamLAND + solar Mesure de haute précision : Dm2 = +0.6 7.9 -0.5 x 10-5 eV2 tan2q = 0.40 +0.10 -0.07 Futurs résultats réacteurs Statistique x 5 Améliorer q12 Voyage au centre de la Terre La terre (6378 km) est très mal connue en profondeur : homme < 4 km, forage < 20 km, échantillon < 200 km La séismologie a révélée la structure interne de la Terre Etude des météorites primitives (chondrites carbonacées CI) : estimation de la composition chimique globale -> 19 TW radiogénique La dynamique terrestre (tremblements de terre, tectonique des plaques, génération du champ magnétique) est causée par la génération de chaleur et les processus de redistribution Chaleur émise par la Terre : 44 ± 1 TW (24774 observations) 31 ± 1 TW (ré-évaluation correction croûte océanique) Les geo-neutrinos Les neutrinos émis par les éléments radioactifs U/Th/K sont une opportunité unique pour apporter des informations sur 1. la composition chimique interne : quantité absolue et distribution dans le cœur, manteau, croûte -> mécanismes de formation de la Terre et autres planètes 2. les mécanismes de génération de chaleur dans la Terre et son évolution chaleur radiogénique ~ 19 TW Inverse b-decay threshold KamLAND est le premier détecteur suffisamment sensible pour détecter les geo-n de 238U et 232Th Modèle de référence Un modèle de référence a été élaboré à partir de • modèle BSE : 16 TW U,Th U,Th absents dans le cœur manteau uniforme • modèles de composition de la croûte (Rudnic & Fountain), • données sur l’épaisseur de la croute et des sédiments (CRUST 2.0) • étude de la géologie locale : erreur < 10% Etude de la géologie locale CRUST 2.0 Japan Modèle de référence Oscillation dans le vide: facteur de réduction ~ 0.59 3 familles < 5% erreur matière < 1% erreur Charte indépendante du modèle U Faites votre propre soupe terrestre Th Sélection des événements Le principe de détection est le même que pour les antineutrinos réacteurs avec une fenêtre en énergie différente et des coupures plus sérées Efficacité = 0.68 7.09x1031 protons-cible an Résultats geoneutrinos Nature 436, 499-503 (2005) Simulation 16 TW Attendu sans geo-n BF : 127 ± 13 • réacteur ne : 80.4 ± 7.2 • 13C(a,n)16O : 42 ± 11 • accidentels : 2.38 ± 0.01 • produits fission réacteur à longue durée de vie : 1.9 ± 0.2 Geoneutrinos : 25 U : 20 Th : 5 + 19 - 18 Résultats geoneutrinos Fit du spectre (unbinned likelihood) D’après les données cosmochimiques Th/U = 3.9 ± 0.2 Th/U fixé n (U+Th) = 4.5 – 54.2 à 90% CL Puissance radiogénique < 60 TW à 99% CL Futur des geoneutrinos Purification du LS HawaiiLAND Amélioration de la détection -> 99% CL Pas de réacteur nucléaire BF réacteurs domine toujours largement Accès au manteau et au cœur Résultats futurs pour KamLAND Réacteurs • Résolution Dm2 provient de la distorsion du spectre → plus de statistique (déjà 1.89 fois plus de données) • Shika2 démarre en 2006 à 88 km, près du premier minimum d’oscillation, plus grande suppression du taux d’événements pour ces neutrinos Géoneutrinos : purification du LS -> suppression du BF (a,n), accidentels Autre physique • Détection de la prochaine supernova • Neutrinos solaires Phase solaire Neutrino solaire 7Be: 91% • Aucune mesure en temps réel • Incertitude expérimentale 40% 7% 0.2% 0.008% KamLAND: 5-10% précision flux Améliorer SSM (erreur pp : 2% -> 0.5 %) Peu d’impact sur les paramètres d’oscillation Détection ES : ne + e- → ne + e- Purification intense du BF de basse E Réduction du BF Réduction souhaitée 85Kr : 10-6 210Pb : 10-5 • Importante R&D en purification : distillation, tour de purge, chauffage, absorbants • Résultats très encourageants obtenus avec un appareillage de test pour la distillation : Kr -> 10-6, Pb -> 10-4 - 10-5 Propriétés optiques identiques (latt, émission lumineuse) • Construction du système final de purification Oct 2005 -> Juillet 2006 Système final de purification LS : 2 m3 / h Distillation pour éliminer 210Pb + 40K, 39Ar, 85Kr, 222Rn • 3 tours (PC, Dod, PPO) -> recombinaison N2 purge pour éliminer gaz nobles (85Kr, 39Ar, 222Rn) : 40 m3 / h Prévention contre émanations externes (222Rn) • Système de ventilation : 3000 Bq/m3 (été) → 40 Bq/m3 • Protection étanche des valves → réduction 1/200 Résultats attendus 7Be Facteurs réduction 210Pb : 10-5 39Ar, 85Kr : 10-6 Précision flux n 7Be : ~ 5 % 14,11,10C : sources BF dominantes pour pp, pep, CNO Paramètres d’oscillation Mesure 7Be à 5 % Pas d’amélioration Mesure pp (ou pep) Amélioration significative q J. N. Bahcall, C. P. Garay (2003) Résultats attendus CNO, pep Réduction des 11C par étiquetage = coïncidence triple 12C + X -> 11C + n + Y + … (95% 11C) (1) muon (2) n capture (3) désintégration 11C t = 29.4 min 3 ans données Résultats préliminaires 7Be pep CNO 11C Conclusions • Les résultats de KamLAND montrent une disparition des antineutrinos à 99.998% CL et une distorsion spectrale à 99.6% CL • Nous sommes entrés depuis peu dans une ère de mesure de précision des paramètres d’oscillation : une valeur unique • KamLAND a réalisé la première observation de geoneutrinos, ouvrant un nouveau champ de recherche en physique du neutrino • KamLAND est en chemin pour la détection des neutrinos solaires Non linéarité de l’énergie Données de calibration + MC Plot L0/E • Les oscillation dépendent de L/E KamLAND ne mesure pas L, mais la distribution du flux a un fort pic Une valeur typique L0=180 km est utilisée C’est vraiment un plot en 1/E • Goodness of fit: 0.7% - decay 1.8% - decoherence 11.1% - oscillation (0.4% - constant suppression) • Données préfèrent l’oscillation à tout autre scenario Data vs. No-oscillation expectation Bilan radiogénique 238U (T1/2= 4.47∙109y) → 232Th 206Pb + 8 4He + 6e- + 6n + 51.7 MeV (100%) (T1/2= 14∙109y) → 208Pb + 6 4He + 4e- + 4n + 42.7 MeV (100%) 40K (T1/2= 1.28∙109y) → 40Ca + e+ + 1.311 MeV (89.28%) 40K + e → 40Ar + νe + 1.505 MeV (10.72%) Produits réacteur longue durée de vie T1/2(144Ce) = 285 jours T1/2(106Ru) = 374 jours T1/2(90Sr) = 28.8 ans Appareil de test pour la distillation Haute Température = danger → basse pression 1) PC : T = 144° à 200 hPa 2) Dod : T = 164° à 200 hPa 3) PPO dans une autre tour (T = 240° à 50 hPa) 1.8 l / h 3) PPO 1) Pseudocumene 2) Dodecane Efficacité de la distillation Tests préliminaires 212Pb 222Rn 2.5 x 10-5 2.3×10-5 NatKr 2.1 x 10-5 Fenêtre de détection (dilué) Propriété du SL après distillation SL (PC + Dod + PPO) après distillation individuelle présente les même propriétés qu’avant distillation Longueur d’atténuation L (m) SL L(365 nm) L(436 nm) Origine 1.4 ± 0.5 12.7 ± 0.4 Distillé 1.0 ± 0.3 11.2 ± 0.4 Quantité de lumière (charge ADC Q - source 137Cs) SL Q[ch] Origine 1392 ± 4 Distillé 1401 ± 7 Système final de purification Désintégration de neutron hep-ex/0512059 Recherche de violation du nombre baryonique PDG liste + de 70 modes de désintégration de nucléon Limites experimentales ~ 1030 ans à part pour les modes dits invisibles n -> n’s ou nn -> n’s KamLAND : étude de la disparition de n dans la couche s du Triple signature expérimentale ! (BR de Kamyshkov et Kolbe) 12C (n1) 11C(n) -> 10Cgs(b+, 19.3s, 3.65 MeV) (n2) 11C(n,g) -> 10Cgs(b+,19.3s, 3.65 MeV) t(n -> inv) > 5.8 x 1029 ans à 90% CL (facteur 3 par rapport à SNO) (nn1) 10C(n) -> 9C(b+, 0.127 s, 16.5 MeV) (nn2) 10C(n,p) -> 8B(b+ a, 0.77 s, 18 MeV) t(n -> inv) > 1.4 x 1030 ans à 90% CL (facteur 104 par rapport à Borexino)