transparents

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)