I8 : ARGOS – Recherche des astroparticules, études géologiques et océanographiques

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.

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

Les 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.

Ces 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.