I2 : Géoparticules

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Une campagne de mesures est en route pour le site archéologique d’Appolonia en Grèce !

> Visitez la page “L’excursion des géoparticules à Appolonia

 

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    Earth.jpg  Volcano.jpg

    Les particules élémentaires peuvent être utilisées pour sonder leurs sources ou la matière qu’elles traversent. Le volet Géo-Particules du projet UnivEarth a pour objectif de développer des méthodes d’auscultation de la Terre utilisant des particules (neutrinos, muons) selon deux axes:

    1. l’utilisation des muons atmosphériques produits lors de la désintégration des éléments radioactifs contenus dans la croûte et le manteau pour déterminer la composition et la distribution des sources qui produisent une importante fraction de l’énergie thermique du globe.
    2. l’utilisation des muons d’origine cosmique pour tomographier les structures superficielles: volcans, parois instables, couverture géologique de sites de stockage souterrains (déchets nucléaires, CO2).

     

    Le programme de recherche comporte les principaux points suivants :

    1. La modélisation des gerbes cosmiques, source naturelle des muons utilisés en tomographie, est essentielle pour déterminer le niveau de bruit et déterminer l’atténuation du flux causé par l’écran rocheux.
    2. La modélisation du spectre d’anti neutrinos de réacteur, un bruit de fond pour les géo-neutrinos, s’appuyant sur les mesures obtenues dans le cadre de l’expérience Double Chooz (2011-2016).
    3. Les mesures de muons atmosphériques sont dominées par le signal provenant de la croûte continentale qui masque le signal provenant du manteau. Nous explorons deux voies pour traiter ce problème: détecter les muons atmosphériques en différents endroits; soustraire l’influence de la croûte à l’aide d’une modélisation.

     

    Après avoir établi des techniques d’utilisation de particules élémentaires pour explorer la Terre et sa structure, le WP I2 se concentre sur une nouvelle application à l’archéologie. Les muons cosmiques qui ont traversé une structure peuvent fournir des informations sur sa structure interne de manière non destructive. La faisabilité de l’utilisation de cette méthode pour explorer l’intérieur des tumulus macédoniens a été évaluée par des études de simulation. Une campagne de mesure sur le site archéologique d’Apollonia en Grèce a été lancée en Mai 2018.

     

     

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    Position Nom Laboratoire Grade & employeur
    WP leader Alessandra TONAZZO APC PR, Université Paris-Diderot
    WP co-leader Fernando LOPES IPGP IR, IPGP
    WP membre Theodore AVGITAS APC PhD, LabEx UnivEarthS
    WP membre Davide FRANCO APC CR, CNRS
    WP membre Héctor GOMEZ-MALUENDA APC PostDoc, LabEx UnivEarthS
    WP membre Stavros KATSANEVAS APC PR, Univ. Paris-Diderot
    WP membre Antoine KOUCHNER APC PR, Univ. Paris-Diderot

     

     

     

     

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    La faisabilité de l’utilisation de mesures d’atténuation des muons cosmiques (tomographie muonique) pour explorer la structure interne des volcans a été établie et développée sous plusieurs aspects, de l’instrumentation à l’analyse des données. Cela a donné lieu à plusieurs publications. Les données de l’expérience Double Chooz ont permis des études détaillées sur des modèles et des simulations de muons cosmiques, utiles pour la tomographie muonique. Ce thème a été finalisé en 2017 et a fait l’objet d’une publication.

    L’analyse des données de l’expérience Borexino pour mesurer les géo-neutrinos, c’est-à-dire les neutrinos produits à partir de l’activité radiogénique à l’intérieur de la croûte et du manteau, véhiculent des informations uniques sur la composition et l’origine de la Terre. L’activité a été dirigée par Romain Roncin pendant sa thèse et a donné lieu à deux publications de la Collaboration Borexino. Un document a également été publié par les membres du GT IPGP sur les modèles géo-neutrino et la comparaison avec les données. L’analyse des données de l’expérience de neutrinos Double Chooz a permis d’évaluer le potentiel des futurs détecteurs pour mesurer la directionalité des neutrinos, ce qui pourrait être pertinent pour les futures mesures de géoneutrino. Cela faisait également partie de la thèse de Romain Roncin.

    Le développement instrumental pour les futurs détecteurs de (géo-)neutrinos a été réalisé sur deux aspects : une carte électronique de lecture photomultiplicateur groupée, utile pour les futurs détecteurs à grande échelle, et des techniques de rejet de l’arrière-plan basées sur les propriétés de synchronisation du signal.

    Les développements les plus récents du WP I2 ont été axés sur l’application novatrice de la tomographie muonique à l’archéologie. En coopération avec le Laboratoire de géophysique d’exploration de l’université de Thessalonique (Grèce) et d’autres laboratoires en France, un projet interdisciplinaire a été lancé pour étudier la faisabilité de cette technique afin d’explorer les structures archéologiques et, si possible, d’effectuer une première série de mesures comme preuve de concept. Grâce à nos études de sensibilité, nous avons obtenu une autorisation d’exploitation pour installer un détecteur de muons près d’un tumulus à Apollonia, dans le nord de la Grèce. Ce tumulus a déjà été exploré par d’autres techniques comme la tomographie par résistivité électrique, révélant deux structures internes. Pour cette raison, ce tumulus représente un scénario idéal pour effectuer les premières mesures expérimentales afin de prouver les capacités de la tomographie muonique.

    L’installation d’un détecteur de muons sur le site d’Apollonia en Grèce a été programmée en 2018. Il fournira les premières données dédiées à cette application spécifique de la technique de tomographie muon, ce qui permettra de valider nos études de simulation et de mieux estimer la sensibilité pour les mesures futures.

     

     

     

    Telescopes à muons pour la tomograhie des volcans Photo0051.jpg Les télescopes construits précédemment sont en cours d’amélioration pour réaliser les expériences du projet. La résolution temporelle de l’électronique du télescope basé en Guadeloupe a été améliorée de 10 ns à 1 ns. Cette amélioration a considérablement augmenté les capacités de détection et de filtrage des particules. En particulier, il est désormais possible d’utiliser un critère de sens de progagation qui permet d’éliminer beaucoup plus efficacement le bruit produit par le flux arrière remontant rencontré sur certains sites de mesure. Le télescope de Guadeloupe vient également de recevoir un vérin et une base tournante qui permettent d’orienter l’instrument très facilement.
    Le banc de test MEMPHYNO Memphyno_foto.jpg Une tomographie du bâtiment a été faite avec les données de l’hodoscope à muons.

    Le premières données ont été rises avec la carte d’éléctronique pour une matrice de 16 PMTs.

    Voir les détails sur la présentation et e-Print: arXiv:1306.6865 [physics.ins-det]

    L’expérience de neutrinos BOREXINO BorexinoPMTs.jpg La nouvelle analyse des géo-neutrinos est publiée.

    e-Print: arXiv:1303.2571 [hep-ex]

    L’expérience de neutrinos de réacteur DOUBLE CHOOZ DoubleChoozDetector14102009.jpg Mesure de la directionalité des anti-neutrinos : Thèse en cours (R.Roncin)

    Mesure précise du spectre d’anti-neutrinos de réacteur pour l’analyse des oscillations : http://arxiv.org/abs/1207.6632

    http://arxiv.org/abs/1301.2948

    Simulation détaillée du flux de muons avec le code de simulation MUSIC : http://arxiv.org/abs/1210.3748

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    • Gómez,C. Goy, Y. Karyotakis, S. Katsanevas, J. Marteau, A. Tonazzo, D. Gibert, K. Jourde, M. Rosas-Carbajal,

    Forward scattering effects on muon imaging,

    e-Print: arXiv:1709.05106 [physics.ins-det], submitted to JINST

     

    • Double ChoozCollaboration,

    Cosmic-muon characterization and annual modulation measurement with Double Chooz detectors,

    JCAP 1702 (2017) no.02, 017

     

    • Albert et al, ANTARES Collaboration,

    An algorithm for the reconstruction of high-energy neutrino-induced particle showers and its application to the ANTARES neutrino telescope,
    Eur. Phys. J. C 77 (2017) 419

     

    • KM3NeT Collaboration: S. Adrián-Martínez et al.,

    KM3NeT 2.0 – Letter of Intent for ARCA and ORCA.

    J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 43 (2016) 084001 (published after the 2016 SC)

     

    • L. Agostino et al.,

    Future large-scale water-Cherenkov detector

    Published in Phys. Rev. ST Accel. Beams 16, 061001 (2013)
    e-Print: arXiv:1306.6865 [physics.ins-det]
    • S. Perasso et al.,

    Measurement of ortho-positronium propoerties in liquid scintillators

    Published in Phys. Rev. C88 (2013) 065502
    e-Print: arXiv:1306.6001 [physics.ins-det]

     

    • Borexino Collaboration,

    Measurement of geo-neutrinos from 1353 days of Borexino

    Published in Phys.Lett. B722 (2013) 295-300
    e-Print: arXiv:1303.2571 [hep-ex]

     

    • D. Franco et al.,

    Mass hierarchy discrimination with atmospheric neutrinos in large volume ice/water Cherenkov detectors

    Published in JHEP 1304 (2013) 008
    e-Print: arXiv:1301.4332 [hep-ex]
    • Double Chooz Collaboration,

    First measurement of θ13 from delayed neutron capture on hydrogen in the Double Chooz experiment,

    Published in Phys.Lett. B723 (2013) 66-70
    e-Print: >arXiv:1301.2948 [hep-ex]
    • Double Chooz Collaboration,

    Direct Measurement of Backgrounds using Reactor-Off Data in Double Chooz,

    Published in Phys.Rev. D87 (2013) 011102
    e-Print: arXiv:1210.3748 [hep-ex]

     

    • Double Chooz Collaboration,

    Reactor electron antineutrino disappearance in the Double Chooz experiment,

    Published in Phys.Rev. D86 (2012) 052008
    e-Print: arXiv:1207.6632 [hep-ex]

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