I8 ARGOS : Recherche des astroparticules, études géologiques et océanographiques

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  • KM3NeT est la prochaine génération de télescope à neutrinos, actuellement en construction sur deux sites en eaux profondes dans la mer Méditerranée: KM3NeT / ORCA près de Toulon (France), et KM3NeT / ARCA près de Capo Passero (Italie). Elle consiste en rangées 3D de photomultiplicateurs qui détectent la lumière Cherenkov émise par les particules chargées (muons, électrons, …) lorsqu’un neutrino interagit à proximité du détecteur.

     

    K3MNeT

     

    Le détecteur ARCA se concentrera sur la recherche des neutrinos de haute énergie (~ TeV-PicV) provenant de sources cosmiques, tandis que le détecteur ORCA se penchera sur les propriétés fondamentales des neutrinos, en exploitant le flux abondant de neutrinos atmosphériques de basse énergie (~ GeV). Les installations des deux sites recevront également une instrumentation pour étudier les sciences de la Terre et de la mer à long terme, et de surveillance en ligne de l’environnement en eau profonde et des fonds marins à une profondeur de plusieurs kilomètres.

     

    Le détecteur KM3NeT offre de nouvelles possibilités scientifiques et technologiques de collaborations interdisciplinaires des sciences de la Terre et de la mer. Le projet ARGOS (Astroparticle Research, Geology and Oceanography Studies) vise à fédérer l’expertise disponible à l’APC et l’IPGP, établissant un cadre pour la collaboration à long terme dans la perspective du développement du projet KM3NeT.

     

    Méthodologie :

     

    Deux thèmes principaux ont été identifiés comme points de départ pour des activités conjointes au sein d’ARGOS.

     

    Tâche 1 : études de composition de la Terre avec des neutrinos atmosphériques

     

    detector neutrinosLes schémas d’oscillation de saveurs des neutrinos atmosphériques qui traversent la Terre sont affectés par la densité et la composition de la matière le long de leur chemin. L’objectif principal de cette tâche est donc d’évaluer et de développer le potentiel de la tomographie des neutrinos atmosphérique, comme une méthode alternative pour limiter la composition de la Terre, se fondant sur l’expertise complémentaire des équipes d’APC et de l’IPGP.

    La sensibilité d’ORCA à des changements dans la composition des couches de la Terre interne peut être évaluée au moyen d’une chaîne de simulation complète, incluant :

    • la génération d’un échantillon réaliste des neutrinos atmosphériques dans la gamme d’énergie qui nous intéresse
    • la propagation de ces neutrinos à travers la Terre, représentant tous les effets d’oscillation
    • la détection des neutrinos dans ORCA et la reconstruction de leur énergie et leur direction d’arrivée sur la base des informations (impulsions lumineuses) récoltées dans le détecteur
    • la détermination de la sensibilité d’ORCA pour les différentes compositions de la Terre intérieure, à partir de l’étude statistique des larges échantillons de simulation de pseudo-expériences

    Ce système sera ensuite utilisé pour évaluer les capacités d’un détecteur de type ORCA pour contraindre les différents modèles de composition de la Terre, au moyen de données d’experts en géophysique de l’IPGP.

     

    Tâche 2 : Exploitation interdisciplinaire des unités de calibrage KM3NeT

     

    L’équipe KM3NeT à APC est en charge de la conception et la construction des unités de calibrage (UC) qui seront déployées entre les lignes de détection et portent les dispositifs d’étalonnage pour les détecteurs ORCA et ARCA.

    KM3NeT Calibration UnitsCes unités comprennent également une ligne inductive hébergeant des instruments pour la surveillance des paramètres physiques, chimiques et biologiques de l’environnement abyssal. La collaboration avec des experts des ciences de la Terre de la Mer permettra de transformer les UC ORCA en plates-formes multi-usages et banc d’essai, pour l’instrumentation sismique et marine et qui pourraient être exploités par exemple en collaboration avec le réseau EMSO.

    Les principaux défis de cette tâche seront :

    • l’intégration mécanique et électronique des dispositifs d’étalonnage et de mesure sur le cadre de CU ou de la ligne inductive
    • la définition et l’uniformisation des données de protocole de transfert entre tous les instruments qui seront branchés sur la ligne d’induction, en conformité avec l’infrastructure globale du détecteur KM3NeT
    • l’évaluation du potentiel scientifique des instruments liés aux géosciences et à l’océanographie, et l’exploration des évolutions technologiques possibles, pour lesquels l’expertise des membres de l’IPGP est essentiel.

     

     

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    WP leader Véronique Van Elewyck APC Maitre de conférences UP7
    WP co-leader Miles Lindsey Clark APC Ingénieur de recherches CNRS
    WP co-leader Mathilde Cannat IPGP Directrice de recherches CNRS
    WP membre James Badro IPGP Directeur de recherches CNRS
    WP membre Wayne Crawford IPGP Chargé de recherches CNRS
    WP membre Edouard Kaminski IPGP Professeur IPGP
    WP membre Eleonore Stutzmann IPGP Professeur IPGP
    WP membre Pascal Bernard IPGP Physicien IPGP
    WP membre Antoine Kouchner APC Professeur UP7
    WP membre Alexandre Creusot APC Maître de conférences UP7
    WP membre Claude Boutonnet APC Ingénieur d’études CNRS
    WP membre Daniel Cobas APC/IPGP Ingénieur d’études UP7 (LabEx)
    WP membre Stéphane Colonges APC Ingénieur de recherche CNRS
    WP membre Rémy Le Breton APC ATER UP7/CNRS
    WP membre Simon Bourret APC Ph.D. student (ED STEP’UP) Ecole Polytechnique

     

     

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    Depuis la publication de la lettre d’intention du projet en 2016, KM3NeT a franchi des étapes importantes, dont le déploiement des premières unités de détection (DU) sur les sites français et italiens. Un prototype d’ORCA avec 7 lignes de détection devrait être déployé au cours de l’année prochaine, ce qui permettra une preuve de concept du détecteur et des premières études avec des données réelles ; des fonds supplémentaires ont déjà été obtenus de la France, de l’Italie et des Pays-Bas pour poursuivre la construction du détecteur complet (115 lignes).

    Dans ce contexte, les études entreprises dans le cadre du projet ARGOS arrivent à point nommé :

    • le cas physique de l’ORCA, bien que centré sur la mesure du NMH, est renforcé par l’opportunité d’autres mesures, par exemple sur les neutrinos stériles et sur les mesures de la composition interne de la Terre (Tâche 1).
    • la première unité d’étalonnage KM3NeT (sous la responsabilité du groupe APC) devrait être prête à être déployée peu après l’installation du détecteur prototype ORCA, c’est-à-dire probablement avant la fin 2018 (Tâche 2).

     

    Conférences

     

    • “Earth tomography with KM3NeT/ORCA”

    S.Bourret, J. Coelho, A. Kouchner and V. Van Elewyck

    Poster présenté à la Conférence des Neutrinos 2016 à Londres (Royaume-Uni) du 4 au 9 Juillet 2016

    Pour voir le poster : https://www.km3net.org/wp-content/uploads/2016/07/KM3NeT_poster_tomography_ISAPP_Simon_Bournet.pdf

     

     

    • “Probing new physics with atmospheric neutrinos at KM3NeT-ORCA”

    Probing new physics with atmospheric neutrinos at KM3NeT-ORCAJ.Coelho, A. Kouchner, V. Van Elewyck

    Poster présenté à la Conférence des Neutrinos 2016 à Londres (Royaume-Uni) du 4 au 9 Juillet 2016

    Pour voir le poster : https://www.km3net.org/wp-content/uploads/2016/07/JCoelho_201607_Poster_Neutrino_KM3NeT.pdf

     

    Ce poster présente les perspectives de recherche avec le détecteur ORCA pour les nouveaux phénomènes physiques, tels que les neutrinos stériles et les interactions non-standard, en utilisant les neutrinos atmosphériques qui traversent la Terre. Cette recherche dérivée exploite la simulation et l’analyse des méthodes similaires à celles développées pour les études de tomographie de la Terre au sein du projet ARGOS.

    Joao a reçu l’un des cinq prix Nature pour le Meilleur Poster (parmi 400) et a été invité à présenter ses résultats dans une mini-conférence de 5 min lors d’une session plénière de la conférence.

     

     

     

    • “Earth tomography with KM3NeT/ORCA”

    Simon BourretS.Bourret, J. Coelho, A. Kouchner and V. Van Elewyck

    Poster présenté à l’ISAPP Summer Institute sur “Using particle physics to understand and image the Earth”, 11-21 Juillet 2016, Gran Sasso Science Institute (L’Aquila, IT).

    Pour voir le poster : https://www.km3net.org/wp-content/uploads/2016/07/KM3NeT_poster_tomography_ISAPP_Simon_Bournet.pdf

     

    Dans cette contribution, S. Bourret a montré les résultats préliminaires sur le potentiel du détecteur ORCA pour imager l’Intérieur de la Terre en utilisant les neutrinos pénétrant la planète, sur la base d’une chaîne de simulation mis au point dans le cadre du projet ARGOS.

    Simon a reçu un prix pour la meilleure affiche et il a été invité à présenter ses résultats dans une conférence plénière au cours de l’école.

     

  • AdrianMartinez et al. [KM3NeT Collaboration], Intrinsic limits on resolutions in muon and electron‐neutrino charged current events in the KM3NeT/ORCA detector JHEP05 (2017) 008

     

    Bourret, J. Coelho and V. Van Elewyck for the KM3NeT Collaboration, Neutrino oscillation tomography of the Earth with KM3NeT/ORCA J. Phys. Conf. Ser. 888 (2017) 1, 012114

     

    Coelho for the KM3NeT Collaboration, Probing new physics with atmospheric neutrinos at KM3NeT/ORCA J. Phys. Conf. Ser. 888 (2017) 1, 012115

     

    Bourret, J. Coelho and V. Van Elewyck [for the KM3NeT Collaboration], Neutrino oscillation tomography of the Earth with KM3NeT/ORCA PoS(ICRC2017) 1020

     

     

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