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.

La mise à l'échelle de ce démonstrateur vers une véritable expérience de neutrinos sera étudiée à partir de cas d'études génériques pour des expériences de bases courtes et de bases longues.

La conception portera sur l'optimisation de la ligne de faisceau et du dispositif expérimental.

Des études seront enfin conduites pour mieux comprendre les limites de la technologie de détecteurs à pixel en silicium développée à NA62 pour le trajectographe équipant la ligne de faisceau, et pour trouver des solutions pour les dépasser.

Les études menées auprès de l'expérience NA62 ont permis de détecter le premier candidat neutrino étiqueté de l'histoire. Ce résultat majeur prouve que la méthode proposée dans ENTER est viable. Ce résultat a été accueilli avec enthousiasme par la communauté. Une publication décrivant cette étude est en revue.

Une étude préliminaire sur le potentiel physique d'une expérience de base longue exploitant la méthode ENTER a été publiée et montrant une sensibilité record pour la mesure clé de la phase violant la symétrie CP dans les neutrinos.

Une collaboration a été formée avec des ingénieurs faisceau au CERN afin concevoir des lignes de faisceaux permettant de mettre en œuvre la méthode ENTER pour des expériences de bases longues et courtes. Des premiers résultats sont en cours de publications et montrent qu'une telle ligne de faisceau est possible pour une expérience de base longue.

D'autre part, un projet pour une expérience de base courte au CERN, visant à améliorer les mesures de section efficaces, est en train d'être développé en collaboration avec le projet ENUBET.

Les études sur les limites de la technologie de détecteurs à pixel en silicium n'ont malheureusement pas été conclusives, la qualité des données exploitée étant insuffisante. Néanmoins, une collaboration a été établie avec le projet TIMESPOT/IGNITE visant à développer une nouvelle génération de détecteurs à pixels en silicium hautement résolu en temps. Cette collaboration a donné lieu à un projet ERC SYNERGY qui est en liste complémentaire pour être financé.

Une étude finale portant sur l'intégralité des données recueillies par NA62 sera conduite d'ici a 2026. Elle devrait permettre d'obtenir un nombre plus significatif de candidats neutrino étiquetés.

Un projet est en cours d'étude avec ENUBET et TIMESPOT/IGNITE pour proposer une expérience de base courte au CERN implémentant la méthode ENTER. Ce projet permettrait à moyen terme une mesure précise des sections efficaces d'interaction des neutrinos. Cette mesure est essentielle pour les prochaines expériences neutrinos.

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.