ANTARES/KM3NeT/ORCA

L'observation de l'Univers se fait traditionnellement grâce aux photons. Ces particules, neutres, ne sont pas déviées par les champs magnétiques intergalactiques et permettent ainsi d'étudier des sources ponctuelles précises. Mais plus leur énergie augmente (domaine gamma), plus leur pouvoir de pénétration diminue : seules les couches externes des objets sont visibles et ce sur des distances de moins en moins grandes. Le ciel lointain de haute énergie, celui des phénomènes cataclysmiques de l’enfance de l’Univers, se dérobe à l’astronome.
 
Mais un nouveau messager, le neutrino, pourrait bientôt lui arracher ses mystères. Neutre et léger, le neutrino possède les mêmes qualités que les photons. Son avantage réside dans son caractère pénétrant lié à sa faible section efficace d’interaction avec la matière. Ce qui lui confère à la fois la possibilité de s’extraire des zones les plus denses de l’Univers et de parcourir des distances cosmologiques sans souffrir la moindre altération. Le neutrino est donc très difficile à capturer.
 
Les estimations ont montréqu'il fallait construire un télescope d’environ 1 km3 pour en détecter quelques uns, et l’enfouir profondément dans la mer pour se protéger des gerbes de particules atmosphériques. Ceci a été confirmé par la détection en 2013 par l'expérience ICECUBE des premiers neutrino de très haute énergie d'origine astrophysique, donnant ainsi du même coup naissance à l'astronomie neutrino.  
 
La collaboration européenne ANTARES a choisi de placer à 2500 m au fond de la mer une version plus modeste, pour se convaincre de la faisabilité d’une telle expérience. Ce télescope comporte 12 lignes de détection harnachées de photomultiplicateurs destinés à repérer le sillon de lumière laissé par les neutrinos après leur interaction alentours. Le télescope est achevé depuis mi 2008, mais la prise de données a débuté dès l’immersion, en 2007, de la première ligne de détection. Le laboratoire APC participe à l’exploitation du télescope, l’acquisition des données, leur analyse et leur interprétation.
 
Parallèlement, le groupe participe au développement du futur télescope de taille kilométrique en cours de déploiement en méditerrannée au sein de la collaboration KM3NeT . Le groupe est impliqué dans le developpement du détecteur ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), un détecteur Cherenkov subaquatique de neutrinos, prévu de faire partie de l'infrastructure KM3NeT distribuée. Il sera consacré à l'étude des propriétés fondamentales des neutrinos, exploitant les abondantes flux de neutrinos produits dans les interactions des rayons cosmiques avec l'atmosphère.

Le flux atmosphérique des neutrinos a traditionnellement été considérée comme un bruit du fond pour la détection d'un signal astrophysique de neutrinos. Au cours des dernières années cependant, il a été réalisé que dans la bande de quelques-GeV, ce flux détient la clé pour résoudre une question fondamentale de la physique des particules: celle de la hiérarchie de la masse des neutrinos, (c.a.d. si l'état propre v3 de la masse est plus lourd (hiérarchie normale) ou plus léger (hiérarchie inversée) que les états ν2 et ν1. L'influence de la hiérarchie des masses sur les oscillations des neutrinos dans la matière laisse son empreinte sur le flux de neutrinos atmosphériques via l'aspect caractéristique de l'apparition/disparition des divers types de neutrinos en fonction de l'énergie et du chemin traversé à travers la terre.

Pour effectuer cette mésure, ORCA prévoit l'instrumentation d'une array d'échelle multi-megaton de modules optiques basés sur la technologie KM3NeT et optimisé pour l'étude des intéractions entre les neutrinos atmosphériques dans la mer. Les modules optiques seront disposés dans une configuration dense, avec un seuil d'énergie de l'ordre de l'GeV, trois ordres de grandeur plus faibles que les échelle énergie standard testés par ARCA pour l'astronomie de neutrino. Pour être déployé au site Français de KM3NeT, les modules optiques multi-PMT de ORCA vont profiter des excellentes propriétés optiques de l'eau de mer profonde pour atteindre les résolutions angulaire et d'énergie nécessaires pour éclairer la hiérarchie de masse de neutrinos.

La Phase 1 de KM3NeT prévoit le déploiement et le fonctionnement d'un array prototype pour ORCA, comprenant 7 lignes de détection avec un éspacement entre lignes de 20 m, dans les deux ans à venir. Si les fonds le permettent, le détecteur ORCA complet, constitué d'un bloc de construction KM3NeT (115 lignes de détection), pourrait être opérationnel d'ici la fin de la décennie, en offrant de nouvelles possibilités pour les études d'oscillation des neutrinos en Méditerranée, complémentaire aux expériences de réacteur et de faisceau.

 

Liste des agents inpliqués à l'APC

Chercheurs

Ingénieurs et techniciens:

Post-doctorants

  • LEBRETON Remi ( ATER ): Callibration Unit KM3NeT et photodétection
  • NIELSEN Christine (posdoc): ORCA

Doctorants

  • AVGITAS Théodore (2014-2017): Caractérisation et étallonage des module optiques d'ANTARES et de KM3NeT et impact sur l'efficaité de détection des telescopes.
  • BOURRET Simon (2015-2018): Tomographie du noyau terrestre avec ORCA
  • GREGOIRE Timothée (2015-2018): Recherche de neutrinos provenant de l'intéraction du rayonnement cosmique lors de sa propagation dans la galaxie dans les données d'ANTARES

Chercheur Associé

  • COLEIRO Alexis (aussi à 'lFIC valence en espagne)
  • AUBLIN Julien (LPNHE - Université Paris 6)
  • VALLAGE Bertrand (IRFU-CEA)
  • GAY Pascal (LPC Clermont-Ferrand/Université Blaise Pascal)

Ancien membres:

  • COELHO Joao (post-doc 2016-2017): Maintenant CR au LAL
  • GALATA Salvatore (post-doc 2014-2016): Algorythmes de reconstruction et simulations pMonte Carlo pour KM3NeT
  • GARCIA RUIZ Rodrigo (thèse 2013-2016): Contraintes sur les populations de noyaux actifs de galaxie comme sources ponctuelles non résolues avec les données d'ANTARES.
  • BOUHOU Boutayeb 
  • PICQ Claire
  • MOSCOSO Luciano

 

Activités

  • Caractérisation de photodétecteurs
    • Cartes d'efficacité de détection au phtoélectron unique.
    • Quantification d'afterpulses.
    • Cuve de 8m^3 munie d'hodscopes pour characteriser les modules optiques KM3NeT.
  • Etudes du détecteur:
    • Influence de l'étalonnage en charge de l'électronique de lecture sur l'efficacité de détection et l'accord données-MonteCarlo.
    • Résolution angulaire.
    • Exploitation des données du modèle de préproduction du module optique digital KM3NeT (PPM-DOM) intallé sur la ligne intrumentale d'ANTARES
  • Etude de faisabilité pour le détecteur ORCA:
            - sensibilité d'ORCA pour la détermination de la hiérarchie de masse de neutrinos
            - études de composition terrestre avec les neutrinos atmosphériques detectés par ORCA (projet ONSET en collaboration avec l'IPGP)
  • Analyse de données
    • Recherche de signaux conjoints avec les détecteurs d'ondes gravitationnelles. 
    • Contraintes sur la contribution de sources ponctuelles non résolues dans les données d'ANTARES et leur conséquences sur les populations de noyaux actifs de galalxie.
    • Méthodes statistiques de recherches de sources ponctuelles et étendues.
    • Recherche de neutrinos provenant de l'intéraction du rayonnement cosmique lors de sa propagation dans la galaxie dans les données d'ANTARES.
    • Perspectives de détermination de la hiérarchie de masse des neutrinos avec la future génération de télescopes à neutrinos dans le cadre du projet ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss).
    • Etudes sur la tomographie du noyau terrestre avec ORCA.

 

Responsabilités dans ANTARES/KM3NeT

  • A. Kouchner:
    • porte-parole scientifique (spokesman) de la collaboration ANTARES
    • coordinateur de l'etude de faisabilité d'ORCA
  • B. Baret:
    • coordinateur avec B. Vallage du groupe de travail "Calibration" d'ANTARES
    • coordinateur du sous goupe de travail Gamma Ray Bursts d'ANTARES
    • membre du Publication Committee de KM3NeT
  • A. Creusot:
    • Coordination du groupe de travail d'analyse des données du PPM-DOM et de la prémière ligne KM3NeT
    • Calibration temporelle et en charge d'ARCA
    • Reconstruction et qualité de données sur ARCA
  • V. Van elewyck:
    • Coordination du groupe de travail "Qualité des données" d'ANTARES
    • Membre du "Conférence and Outreach Commitee" de KM3NeT et du Publication Committee d'ANTARES

 

Publications

 

Liens