Brunet, F.

Hal - Université Grenoble Alpes

Etude des oscillations neutrino avec détection d'électrons dans l'expérience OPERA et reconstruction et analyse des gerbes électromagnétiques

HAL-IN2P3

Etude des oscillations neutrino avec de´tectiond’e´lectrons dans l’expe´rience OPERA et reconstructionet analyse des gerbes e´lectromagne´tiquesF. BrunetTo cite this version:F. Brunet. Etude des oscillations neutrino avec de´tection d’e´lectrons dans l’expe´rience OPERAet reconstruction et analyse des gerbes e´lectromagne´tiques. Journe´es Jeunes Chercheurs 2010,Nov 2010, Angers, France. Societe Francaise De Physique, a` paraˆıtre, pp.215-218, 2011.<in2p3-00551845>HAL Id: in2p3-00551845http://hal.in2p3.fr/in2p3-00551845Submitted on 11 Apr 2011HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come fromteaching and research institutions in France orabroad, or from public or private research centers.L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, estdestine´e au de´poˆt et a` la diffusion de documentsscientifiques de niveau recherche, publie´s ou non,e´manant des e´tablissements d’enseignement et derecherche franc¸ais ou e´trangers, des laboratoirespublics ou prive´s.Etude des oscillations neutrino avec détectiond'électrons dans l'expérience OPERA etreconstruction et analyse des gerbesélectromagnétiquesFlorian BRUNETLaboratoire de Physique des Particules d'Annecy-le-vieux(LAPP)RésuméL'expérience OPERA permettra d'observer directe-ment pour la première fois l'oscillation  !  .Pour cela un faisceau pur de  est envoyé du CERNjusqu'au Gran Sasso où est situé le détecteur OPERA ;il est basé sur l'association de feuilles d'émulsion pho-tographique et de plomb, le tout instrumenté avecdes détecteurs électroniques. Il est capable d'observertoutes les saveurs de neutrinos et d'investiguer aussibien l'oscillation  !  que  ! e. Nous don-nerons des estimations du nombres d'événements at-tendus pour le signal et les bruits de fond du canald'oscillation  ! e. On montrera que l'outil de re-construction des gerbes électromagnétiques nous per-mettra de mesurer l'énergie d'électrons de 4 GeV avecun résolution de 40%.IntroductionLe neutrino est une particule de charge neutre etde faible masse qui n'interagit que par le biais de l'in-teraction faible. Une propriété intéressante lui permetd'osciller, lors de sa propagation, entre les trois saveursconnues de neutrinos. Des expériences passées commeSuperKamiokande ou SNO ont déjà donné des résul-tats expliqués par l'oscillation. D'autres plus actuellescomme T2K, MiniBooNE ou encore MINOS cherchentà améliorer la sensibilité sur les 6 paramètres régis-sant l'oscillation. Toutefois aucune expérience n'a dé-tecté en apparition des oscillations de neutrinos : c'estce qu'OPERA se propose de faire. Au Gran Sasso enItalie, un détecteur a été installé à côté d'un tunnel au-toroutier sous 1400 mètres de roche an de conrmerdénitivement le phénomène d'oscillation : OPERA.Des neutrinos muon sont produits par l'accélérateur departicules du CERN près de Genève en Suisse et sontenvoyés vers le détecteur OPERA qui est construit pourdétecter les neutrinos et plus spéciquement le neu-trino tau. Nous savons aussi que les neutrinos muonpeuvent osciller vers les neutrinos électron qu'OPERApeut aussi détecter.1.1 Situation expérimentale surles neutrinosLes trois états de saveur des neutrinos (e; ;  )peuvent s'écrire comme une combinaison linéaire destrois états de masse (1; 2; 3) à l'aide d'une matricede mélange unitaire que l'on peut écrire ainsi :U =0@1 0 00 c23 s230  s23 c231A0@ c13 0 s13e i0 1 0 s13e i 0 c131A0@ c12 s12 0 s12 c12 00 0 11A0@1 0 00 e i 00 0 e i1Aavec cij = cos(ij); sij = sin(ij) = phase de violation de CPet  &  = phases de Majorana12 représente le secteur des neutrinos solaires23 représente le secteur des neutrinos atmosphériquesL'oscillation des neutrinos fait intervenir égalementles carrés des diérences de masse des états propres demasse m2ij . La probabilité d'oscillation d'une saveurvers une autre peut prendre des formes complexes,comme par exemple pour l'oscillation  ! e. On voitapparaître deux ondes de fréquences d'oscillation dif-férentes sin2(m213  1:27LE ) et sin2(m212  1:27LE ),où L est la longueur d'oscillation et E est l'énergie duneutrino, ainsi que leur interférence :P ( ! e) = s2(213)s2(23)s213+ s2(212)c2(23)c2(13)s212+ s(213)c(13)s(223)s(212)s12s13c(23  )où ij = m2ij  1:27LE, s = sin et c = cosOn remarque aussi par cette formule l'importanceque tous les paramètres soient non nuls an de pouvoirmesurer la phase de violation de CP. Dans certains cas,comme pour l'oscillation  !  , on peut la réduireà une formulation dite à 2 saveurs :P ( !  ) = c4(13)s2(23)s223En observant ces probabilité de transition entre lessaveurs de neutrinos, on comprend qu'une expériencepermettant de xer les paramètres E et L est une sondedes angles de mélange et des diérences de masses. Cesexpériences utilisent des faisceaux de neutrinos qui sontdirigés vers un détecteur ; selon que la distance soitpetite ou grande entre le faisceau et le détecteur onparle d'expérience "short baseline" ou "long baseline".Les sources naturelles de neutrinos telles que le Soleil56 Nom de la session- les réactions de fusion nucléaire impliquées dans lefonctionnement du Soleil produisent des neutrinos - oules neutrinos produits par l'interaction de rayonnementcosmique avec l'atmosphère terrestre fournissent égale-ment une grande quantité de ces particules pour ex-plorer les secteurs des paramètres décrits plus haut.Les données actuelles concernant les paramètres intrin-sèques de l'oscillation des neutrinos sont résumées dansle tableau 1.1 [1].m212 7:67+0:16 0:19  10 5eV 2jm213j&jm223j 2:39+0:11 0:08  10 3eV 2sin2(12) 0:312+0:019 0:018sin2(13) < 0:016+0:010 0:010sin2(23) 0:466+0:073 0:058Table 1.1  Valeurs actuelles des paramètres intrin-sèques d'oscillation1.2 L'expérience OPERAOPERA est destiné à conrmer l'hypothèse de l'oscil-lation des neutrinos atmosphériques  !  en dé-tectant la présence de  dans un faisceau pur de .Le faisceau nommé CNGS (Cern Neutrino to GranSasso)[3] est produit au CERN et envoyé en direc-tion du Gran Sasso en Italie 732 km plus loin. L'én-ergie moyenne du faisceau étant de 17 GeV, on ob-tient une probabilité d'oscillation P ( !  ) = 3%avec m223 = 2:39  10 3eV 2. L'énergie a été opti-misée an de prendre en compte l'augmentation avecl'énergie de la section ecace d'interaction des  parcourant chargé. Une caractéristique importante du fais-ceau pour l'étude des canaux contenant des électronsva être la contamination du faisceau en e : 0.8% desneutrinos produits au CNGS sont des e. On attendau Gran Sasso, par an et par kT de plomb sans tenircompte de l'acceptance du détecteur et des ecacités desélection, 20 événements CC et 4 CCe oscillés depuisles  pour 3000 événements CC et 26 CCe du faisceau.1.2.1 Le détecteur OPERALe détecteur OPERA est situé dans le laboratoiredu Gran Sasso sous la montagne du même nom, soit1400m de roche, ce qui permet de s'isoler de 99% desrayons cosmiques. Le détecteur est composé de deuxsuper-modules représentés sur la gure 1.1, chacuncomprenant une partie cible et un spectromètre mag-nétique à muons.Description de la cibleChaque élément cible est composé de 31 modules, cha-cun fait d'un mur de briques, 64 rangées et 2x26colonnes, suivi de 2 plans de scintillateurs plastiquescroisés. Ces derniers jouent le rôle de déclencheur élec-tronique et permettent de déterminer la brique danslaquelle a eu lieu une interaction. Les briques sontcomposées de 56 feuilles de plomb de 1mm de d'épais-seur,disposées chacune en alternance avec 57 lms d'é-Figure 1.1  Vue du détecteur OPERAmulsion photographique de 290 m d'épaisseur soit autotal une longueur de 10 X01 pour une brique. Deuxlms d'émulsion changeables ou CS sont de plus at-tachés en aval de la brique an de valider les prédictionsde l'électronique. Les particules chargées produites lorsdes interactions de neutrino dans le plomb ionisent lesgrains de bromure d'argent ; ces grains apparaissentnoirs après développement, permettant ainsi de recon-struire les traces à l'échelle micrométrique. L'insertiondans le détecteur de 150 000 briques ainsi que l'ex-traction des briques candidates sont assurées par deuxrobots automates conçus et réalisés au LAPP : les BMS.Le choix des briques-cibles a été motivé par leurhaute résolution angulaire   1 mrad et spatialex  1 m nécessaire à la détection du tau dont latopologie en coude de l'interaction d'un neutrino taudans le plomb implique un temps de vol de 87 micronset un parcours moyen de 600 microns.1.2.2 De la brique à l'interaction neu-trinoUne fois la brique extraite, elle est exposée à desrayons X frontalement an d'aligner le doublet de CSavec la dernière émulsion. Le doublet de CS est envoyédans un des 2 laboratoires de scan de CS : LNGS (Italie)et Nagoya (Japon). Si une trace est trouvée dans les CS,la brique est alors exposée à des rayons X latéralementpuis à des rayonnements cosmiques frontalement pouraligner les émulsions les unes par rapport aux autres.La brique peut alors être désassemblée et les émulsionsdéveloppées puis envoyées dans un des 10 laboratoiresde scan répartis en Europe et au Japon.Processus automatique de reconstructiond'un événementLes traces trouvées dans les CS sont cherchées dansl'émulsion la plus en aval du faisceau. Puis ces tracesseront suivies dans les émulsions suivantes : c'est lescanback. On dénit un point d'arrêt lorsqu'on netrouve plus de basetrace à associer à la trace suiviedans 5 émulsions consécutives. Un scan en volume esteectué autour de ce point (2:5cm2 10 émulsions) an1. longueur de radiation pour le plomb : X0 = 5:6mmFlorian BRUNET 7de trouver toutes les traces convergentes et de constru-ire le vertex de l'interaction neutrino. Le résultat eststocké dans une base de donnée locale au laboratoire,il sera copié ensuite vers la base de données principaleau centre de calcul de l'IN2P3 à Lyon. La recherche dela topologie en coude peut être faite a partir de la basede données sans agir sur les émulsions : c'est le decaysearch.La gure 1.2 montre un exemple de visualisation d'unévénement neutrino CCe .Figure 1.2  Visualisation d'une interaction neutrinoélectron par courant chargé dans OPERA1.3 La détection d'électrons dansle canal d'oscillation  ! eOn a vu qu'OPERA a la capacité de détecter les élec-trons et on verra qu'on peut aussi mesurer leur énergie.Une étude du canal d'oscillation  ! e peut être ainsimenée pour permettre de chirer en termes de nombred'événements attendus de ce signal ainsi que des bruitsde fond correspondants. Ses derniers contiennent tousles processus ayant un gerbe électromagnétique dansl'état nal : e du faisceau :interaction CCe !e + gerbe hadronique  oscillés depuis les  :interaction CC !  + gerbe hadronique et  !e ;e du faisceau :interaction NCe; !  + gerbe hadronique dont 0et 0 !   du faisceau :interaction CC !  non détecté + gerbehadronique dont 0 et 0 !   interaction NCLes e du faisceau vont être principalement discriminéspar l'énergie de l'électron primaire qui est plus grandeque l'énergie des électrons du signal car les e du fais-ceau ont une energie plus grande que ceux qui ont oscillédepuis les . Les électrons provenant des interactionsCC !  + gerbe hadronique et  ! e sont discrim-inés principalement par la topologie en coude de cesévénements. Le bruit de fond venant des interactions àcourant neutre sont discriminées principalement par lepouvoir de détection d'une paire e+e  attachée au ver-tex primaire. L'identication d'un muon est amélioréepar une bonne ecacité de détection des muons : 95%.Enn tous les bruits de fond seront discriminés surdes variables topologiques dont l'énergie de l'électronet l'énergie visible. Le tableau 1.2 récapitule le nombred'événement attendus après application des ecacitéset de l'acceptance dans OPERA pour le signal et lesbruits de fond résultant d'une étude Monte Carlo auniveau générateur.Signal  ! e CC ! NC NC CCefaisceau 0.53 0.53 0.52 0.48 0.53 0.75 0.032 0:34  10 4 710 4 0.30N 1.6 0.06 0.06 0.13 4Table 1.2  Taux d'événements attendus après appli-cation des ecacités et de l'acceptance par an et par ktde plomb du signal et des bruits de fond en supposantle faisceau CNGS nominal et les paramètres d'oscilla-tion du tableau 1.1. : Acceptance : géométrie, déclenchement...,  : E-cacité de sélection et N : Nombre d'événements atten-dusLes sélections sur les variables topologiques et ciné-matiques permettent d'atteindre une bonne ecacitéde réjection des bruits de fond. Toutefois dû au grandnombre d'interactions e du faisceau par rapport auxautres canaux, ce bruit de fond restera le plus impor-tant en termes de multiplicité et surtout il restera ir-réductible. Cette étude ayant été réalisée au niveaugénérateur, deux remarques émergent. Tout d'abord,une simulation complète comprenant toutes les ecac-ités de reconstruction doit être eectuée an d'obtenirdes chires précis et avec un bon niveau de conance.Ensuite l'énergie de l'électron primaire et visible étantdeux variables avec un fort pouvoir discriminant pourtous les bruits de fond, on désire avoir un outil de recon-struction de l'énergie des électrons le plus précis pos-sible en tenant compte des capacités calorimétriquesd'OPERA.1.4 La reconstruction des gerbesélectromagnétiqueL'outil de reconstruction des gerbes électromagné-tiques [2] est basé sur une association géométrique desmorceaux de traces puis une identication de la partic-ule et enn d'une estimation de l'énergie toutes deux àl'aide de réseaux de neurones.La reconstructionChaque particule chargée laisse une trace de son pas-sage dans chaque émulsion traversée : ce morceau detrace constituant la brique élémentaire de la recon-struction des événements dans les emulsions est ap-pelée tracebase. L'algorithme va associer les tracebases8 Nom de la sessionles unes avec les autres sur des critères angulaires etspatiaux :  < 150mrad et r < 150 m. L'autrecritère géométrique est de requérir que la tracebase soitdans un cône de 20 mrad d'ouverture créé à partir de latracebase considérée comme initiatrice de la gerbe : cedernier critère reproduisant le développement spatiald'une gerbe électromagnétique. Un dernier critère dedéveloppement sur au moins 4 émulsions est considéré.Identication de la particule & estimation del'énergieCes deux fonctions sont assurées chacune par l'utilisa-tion d'un réseau de neurones analysant des variablesqui décrivent le développement de la gerbe. Les sortiesde ces outils sont respectivement la probabilité d'êtreun électron et l'énergie de la gerbe.Performance de l'algorithmeL'outil a été utilisé sur des échantillons Monte Carlode gerbe électrons et photons se propageant dans unebrique cible d'OPERA : la gerbe est initiée au pointd'entrée dans la brique et plusieurs énergies ont été util-isées 10, 6, 4, 1.5, 0.5 GeV avec une statistique de 1000événements pour chaque énergie. Les valeurs de l'én-ergie et sa résolution sont récapitulées dans le tableau1.3. L'erreur sur la valeur moyenne de l'énergie recon-struite est une erreur statistique. On remarque immédi-Energie MC vraiEnergie moyennereconstruiteRésolutionElectrons10 GeV 11.7 GeV 20%6 GeV 7.4 GeV 30 %4 GeV 4.9 GeV 43 %1.5 GeV 1.4 GeV 65 %0.5 GeV 0.5 GeV 60 %Photons6 GeV 6.9 GeV 32 %4 GeV 4.4 GeV 43 %1.5 GeV 1.2 GeV 67 %0.5 GeV 0.5 GeV 80 %Table 1.3  Performances de l'algorithme de re-construction des gerbes électromagnétiques. L'erreurstatistique sur la valeur moyenne de l'énergie est de0.02 à 0.08 GeVatement que l'énergie est surestimée. La raison est con-nue et est corrigée dans une nouvelle version de l'outil.Le réseau de neurones pour estimer l'énergie est en-traîné avec des échantillons Monte Carlo avec une seuleecacité de tracebase dans les émulsions OPERA alorsqu'il existe plusieurs paramétrisations en fonction desparamètres de numérisation. En l'occurence les échan-tillons ont une ecacité de tracebase de 100% et leséchantillons d'entraînement des réseaux environ 80%.Ensuite les échantillons de basse énergie donnent uneénergie avec un ordre de grandeur correct mais la réso-lution est de moindre qualité. En réalité, le principe dela reconstruction de la gerbe est basé sur la topologiede son développement, or à ces faibles énergies, il n'ya plus de développement : seules quelques traces appa-raissent. L'outil atteint ses limites de fonctionnement.Une étude des erreurs systématiques doit être menéean de bien comprendre le fonctionnement de cet al-gorithme. On peut représenter la résolution en énergiepar une formule de type calorimétrique suivante :EE 50%E 0:17Les sources de ces erreurs systématiques sont l'angled'incidence de la particule, la position du point degénération de la gerbe dans la brique et le nombre d'é-mulsions utilisées.ConclusionL'expérience OPERA permettra d'observer directe-ment pour la première fois l'oscillation  !  , ellepeut aussi détecter les e et ainsi investiguer aussil'oscillation  ! e. Nous avons donné des estima-tions du nombres d'événements attendus pour le signalet les bruits de fond du canal d'oscillation  ! e dansune étude au niveau générateur. On a clairement misen lumière l'importance d'une bonne reconstruction del'énergie des électrons ainsi que d'une simulation com-plète du détecteur prenant en compte toutes les ecac-ités de détection. Un outil de reconstruction des gerbesélectromagnétiques a été utilisé : ces perfomances ontété évaluées.Références[1] Fogli, G. L. and others, Observables sensitive toabsolute neutrino masses (Addendum), Phys. Rev.D78 : 033010, 2008[2] Frédéric Juget, Frank Meisel, Electromagneticshower reconstruction and energy measurement inthe OPERA brick, OPERA internal note 99, 09février 2009[3] M. Guler et al. [ OPERA Collaboration ],OPERA : An appearance experiment to search fornu/mu <> nu/tau oscillations in the CNGS beam.Experimental proposal,

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