Amélioration du tagging et de la reconstruction de l'énergie des neutrinos – ENTER

Le concept d'étiquetage des neutrinos peut déjà être testé dans l'expérience NA62 au CERN. Cette expérience est principalement consacrée aux désintégrations rares des kaons et, comme le principal mode de désintégration des kaons est K->mu nu, le faisceau intense de kaons produit également un faisceau de neutrinos. Une quantité non négligeable des neutrinos produits peut interagir et être détectée dans le calorimètre de l'expérience. Comme le faisceau est équipé de trajectrographes, la désintégration peut être reconstruite et associée à l'interaction du neutrino, démontrant ainsi avec des données réelles la faisabilité de la méthode.

Passer de ce démonstrateur à une véritable expérience de neutrinos nécessite de nombreuses études qui seront réalisées pour le cas du projet P2O : une expérience de neutrinos sur une longue ligne de base allant du complexe d'accélérateurs U70 à Protvino (Russie) au télescope à neutrinos KM3NeT-ORCA installé dans les abysses au large de Toulon (France). La conception portera sur l'optimisation de la ligne de faisceau et des trajectographes en utilisant la sensibilité pour mesurer la violation de CP comme figure de mérite. Pour obtenir des estimations plus réalistes, l'algorithme utilisé pour reconstruire la saveur des neutrinos à ORCA sera réoptimisé pour tenir compte des informations supplémentaires fournies par le marquage.

Sur le plan technologique, l'aspect le plus difficile de l'étiquetage des neutrinos est le trajectographe d'un faisceau de si haute intensité. Ces trajectographes doivent fournir une excellente résolution temporelle afin de résoudre la multiplicité des traces. Le spectromètre à faisceau NA62 est le seul à offrir des pixels résolus en temps. Des études seront donc menées pour mieux comprendre les limites de ce détecteur et trouver des solutions pour les dépasser.

A mi-parcours du projet ENTER, plusieurs objectifs ont été atteints.
Premièrement, la stratégie de déclenchement pour enregistrer les événements K->mu nu à NA62 a été optimisée. L'objectif principal était de supprimer le facteur de réduction à cause duquel seulement un événement sur 15 était enregistré. Cette nouvelle ligne de déclenchement sera utilisée pour la prise de données de 2021.
Deuxièmement, les études sur la résolution temporelle des pixels silicium ont progressée en utilisant les données existantes recueillies lors d'un test de faisceau antérieur. L'analyse de l'ensemble des données est en phase finale et donnera des résultats très précieux sur l'impact de la géométrie des pixels. Ces études ont également conduit à de nouvelles collaborations avec des groupes du CERN et de TRIUMF qui mènent des activités de R&D sur le même sujet. De nouveaux capteurs seront produits et testés grâce à cette collaboration.
Enfin, le potentiel d'une expérience de neutrino à longue ligne de base entre U70 Protvino et ORCA utilisant la technique proposée dans ce projet a été estimé avec des hypothèses simples mais conservatrices. Les résultats sont très prometteurs. P2O pourrait mesurer la phase violant CP avec une incertitude jusqu'à 4 fois plus faible que les expériences de la prochaine génération (DUNE, T2HKK). Ces résultats ont été présentés dans plusieurs conférences et ateliers internationaux et ont permis d'intégrer notre projet au sein du groupe d'étude Physics Beyond Collider (PBC) du CERN. De surcoit, une synergie précieuse a été trouvée avec le projet ENUBET. Des collaborations avec ce groupe sont en cours de discussion. Outre ces collaborations, l'adhésion au PBC est très bénéfique pour la visibilité et la crédibilité du projet.

La nouvelle stratégie de déclenchement développée pour enregistrer les événements K->mu nu à NA62 sera testée en 2021. Les données recueillies avec cette stratégie seront soigneusement examinées dès que possible et une analyse complète des premières données entièrement reconstruites sera effectuée. Pour cette analyse, la simulation de l'interaction des neutrinos sera mise en œuvre dans le logiciel de simulation de NA62 (en cours). On espère que la première année de données sera suffisante pour extraire une poignée significative d'évènements où le neutrino a été détecté. Dans ce cas, on peut s'attendre à une publication ayant un grand impact.

En parallèle, l'étude sur la résolution temporelle du pixel sera finalisée et publiée. Dans un deuxième temps, cette étude expérimentale pourra être confrontée à la simulation et/ou à d'autres études expérimentales utilisant de nouveaux capteurs produits par la collaboration que nous avons établie avec le CERN et TRIUMF.

Le potentiel physique du P2O avec un faisceau étiqueté sera affiné par des simulations plus précises. Dans cette optique, une collaboration est en cours avec un collègue russe - Roman Sinyukov - pour vérifier et affiner la conception de la ligne de faisceau initialement proposée.
Une fois le design de la ligne de faisceau disponible, la conception du trajectographe de faisceau sera optimisé sur la base de simulations. Ces études nous permettront de déduire les spécifications des trajectographes et de rechercher une collaboration pour développer la technologie requise.
Enfin, l'algorithme de reconstruction ORCA sera ré-optimisé pour utiliser les informations fournies par les trajectographes. A chaque étape, le potentiel physique de ENTER sera évalué. Une publication finale des résultats est envisagée.

Les travaux développés dans le cadre de ce projet ont été présentés dans plusieurs conférences et ateliers internationaux :

1. NeuTel [Perrin-Terrin]
agenda.infn.it/event/24250/contributions/130081/

2. PBC [Perrin-Terrin]
indico.cern.ch/event/1002356/contributions/4229626/attachments/2201704/3724138/2021-03-04_PBC_NuTAG_PerrinTerrin.pdf

3. VLVnT (plenary talk) [Perrin-Terrin]
indico.ific.uv.es/event/3965/contributions/14787/

4. IRN Neutrino [Perrin-Terrin]
indico.in2p3.fr/event/24095/contributions/95546/

5. ICRC [Perrin-Terrin]
indico.desy.de/event/27991/contributions/101374/

6. CERN EP-RD-WP1.1 [De Martino]
indico.cern.ch/event/959707/

Le projet ENTER vise à explorer une technique expérimentale originale pour reconstruire les neutrinos dans les expériences sur accélérateurs.

Les neutrinos sont des particules élémentaires mystérieuses, difficiles à observer en raison de leur faible interaction avec la matière. Ils sont toujours produits et détectés dans trois états quantiques appelés états de saveur. Ces états sont en fait des mélanges des états de masse des neutrinos. La composition de ces mélanges sont des propriétés fondamentales des neutrinos. Lorsque les neutrinos se propagent, la composition du mélange évolue, comme si les états de masse se propageaient à des vitesses différentes en raison de leurs différentes masses. Ainsi, après propagation, un neutrino peut être détecté dans une saveur différente de celle dans laquelle il a été créé. Mesurer la probabilité de ces transitions de saveur permet d'accéder aux propriétés fondamentales des neutrinos.

En pratique, les expériences sur accélérateur utilisent des faisceaux intenses de pions se désintégrant en des paires muon-neutrino. Le faisceau est orienté vers un détecteur de neutrinos où ces particules sont détectées.
Pour recueillir de grands lots de neutrinos reconstruits avec précision, la solution normalement adoptée consiste à utiliser un faisceau puissant dirigé vers un détecteur de neutrinos ultra-granulaire.

ENTER remet en question ce paradigme et propose de mesurer les propriétés des neutrinos à la naissance, lorsque le pion se désintègre en une paire muon-neutrino. Cette désintégration est entièrement caractérisée dès que deux des trois particules sont reconstruites. Les pions et les muons étant chargées, ils peuvent être reconstruits à l'aide de spectromètres magnétiques permettant d'atteindre une précision sans précédent sur les propriétés des neutrinos. Le défi consiste à construire des spectromètres capables de fonctionner à des flux de particules aussi élevés. Or, des avancées ont été faites par la collaboration NA62 dans le développement de ces détecteurs et il devient envisageable d'instrumenter des faisceaux de neutrinos avec des spectromètres. Avec ces appareils, des détecteurs de neutrinos de granularité plus grossière peuvent être utilisés, ce qui permet alors de construire des détecteurs beaucoup plus gros et donc de recueillir des échantillons énormes de neutrinos reconstruits avec une qualité sans précédent et ce même avec des faisceaux d'intensité moyenne.

ENTER propose de tester la faisabilité de cette technique avec l'expérience NA62 et son intense faisceau instrumenté de kaons. De l'ordre de 10^13 kaons se désintégrant en une paire neutrino-muon sont en train d’être collectés et quelques centaines de ces neutrinos peuvent être détectés dans calorimètre de NA62. Le premier objectif est de rechercher ces interactions de neutrinos. Observer une désintégration de kaon en muon et neutrino avec les trois particules détectées n'a encore jamais été fait. Obtenir ce résultat majeur prouverait la viabilité d'ENTER.

Le deuxième objectif est de comprendre comment améliorer la résolution temporelle des spectromètres au silicium pour qu'ils puissent fonctionner dans des faisceaux d’intensités très élevées. Des tests ont été effectués avec le spectromètre de NA62 pour comprendre ce qui limite cette résolution. Les données recueillies lors de ces tests seront analysées notamment pour quantifier l'impact de la géométrie des pixels. Ces analyses seront étayées par des simulations précises.

Enfin, une simulation d'une expérience de neutrinos utilisant ENTER sera développée pour le cas d’étude de P2O où un faisceau de neutrinos produit à Protvino en Russie est envoyé vers le détecteur KM3NeT-ORCA, en construction au large de Toulon en France. Ces simulations permettront de déterminer plus précisément les spécifications des spectromètres et de la ligne de faisceau ainsi que la sensibilité de l’expérience pour mesurer les propriétés fondamentales des neutrinos avec cette technologie.