Les géoneutrinos - IPN

État des lieux et
perspectives
dans la détection
des géoneutrinos
Thierry Lasserre (CEA/Saclay & APC)
02/04/2007
Fondé sur une collaboration avec Cribier, Fiorentini, Carmignani, Lissia, Mantovani, Ricci, Schoenert

Evolution dans la compréhension des ν
La compréhension des neutrinos a énormément
progressée ces dernières années.
Reste à mesurer complètement (θ 13 ) et précisément
les paramètres de la matrice de mélange PMNS (θ 23 ,
θ 12 , Δm 2 ’s)
Dorénavant nous pouvons progresser dans des
domaines connexes (astrophysique, cosmologie,
géophysique, non prolifération, etc.) en utilisant les
neutrinos comme sonde inégalée de la matière
@1,05 km
Th. Lasserre 02/04/2007 2

Résultats récents en physique des ν
Les neutrinos ont des masses
Conversion de saveur ν e + ν µ + ν τ
Fortes présomptions favorisant le
mécanisme d’oscillation des neutrinos
Δm 2 atm | best = 2.4 × 10-3 eV 2
Th. Lasserre 02/04/2007 3

Neutrinos et mélange de saveur
Deux différences de masse: Δm 2 21 (solaire) & Δm2 32 (atmosphérique)
Matrice PMNS:
3 angles de mélange: θ 12 , θ 23 , θ 13
1 phase de violation CP: δ (Dirac)
θ atm
θ 13 , δ
θ sol
En plus, si neutrinos de Majorana 2 phases (Majorana) de violation de CP
(et bien plus si « l’anomalie » LSND est confirmée par MiniBOONE …)
Th. Lasserre 02/04/2007 4

Le secteur des neutrino
[Δm 2 21 - θ 12 ] [Δm 2 32 - θ 23 ] signe(Δm 2 32) - θ 13 - δ
ν solaires
+
KamLAND
+
ν réacteurs ?
ν Atmosphériques (SK)
+
K2K
+
MINOS – T2K
ν super-faisceaux (T2K)
+
ν Réacteurs
(Double Chooz &
Daya Bay)
MSW-LMA
Δm 2 12 ~O(10-4/-5 ) eV 2
sin 2 (2θ 12
)~0.8
|Δm 2 32 |~2.5 10-3 eV 2
sin 2 (2θ 32
)~1.0
- sin 2 (2θ 13
)

Structure de la Terre en très bref …
Croûte : 0 – ~10 km (océanique) – ~50 km (continentale)
Analyse géochimique (forage jusqu’à 12 km)
Manteau : 150 km – (sup) 650 km (inf) – 2890 km (sismologie)
Noyau : 5150 km – 6370 km (sismologie)
Th. Lasserre 02/04/2007 6

État des lieux
Les profondeurs de la Terre sont inaccessibles. Composition
géochimique estimée par les abondances des météorites et du
Soleil.
Données sismiques (vitesse du son) + bilan de masse profil de
densité et structure en couche de la Terre, mais pas d’information
sur la répartition des éléments chimiques.
La chaleur interne de la Terre induit les mouvements tectoniques
et le champ magnétique terrestre. Mais les mécanismes sont
quantitiativement mal compris.
Le flux de chaleur à travers la surface terrestre n’est pas contraint
à mieux que ~30%, entre 30-45 TW.
Différentes sources de chaleur peuvent contribuer à la chaleur
interne terrestre. Quelle est la part de la radioactivité (U/Th/K) ?
Th. Lasserre 02/04/2007 7

Flux de chaleur terrestre
Flux de chaleur moyen mesuré à la surface
de la Terre : Φ Terre ~ 80 mW/m 2
A comparer avec le flux reçu du Soleil :
Φ Soleil = 1.4 kW/m 2
Mesure de Température à ≠ profondeur
(»1km) et dérivation du flux de chaleur
d’après dT/dr et la conductivité k:
Φ = k dT/dr
- Mesures dans les océans incertaines à cause des
échanges de chaleur entre l’eau et les sédiments
- Mesures essentiellement dans l’hémisphère nord Reviews of Geophysics 31(3), 267-280, 1993
@1,05 km
Th. Lasserre 02/04/2007 8

Mesure du flux de chaleur terrestre
Carte du flux de chaleur global
Flux de Chaleur : Φ Terre ~ 4 10 13 W
= 40 TW
Equivalent à 10,000 réacteurs
nucléaires …
Questions fondamentales :
Quelles sont les sources de chaleur
interne de la Terre?
Où sont elles localisées?
Quand fonctionnent-elles?
24,000 mesures dans des terrains océaniques et
continentaux complétés par des estimations aux
endroits sans mesures (héminsphère sud).
Remarque: il existe deux mesures de la chaleur interne …
44 ± 1 TW (Pollack 93)
31 ± 1 TW (Revision des donnée de Pollack 93 par Hofmeister & Criss 04)
@1,05 km
Th. Lasserre 02/04/2007 9

Origine du flux de chaleur terrestre
Contrairement au Soleil, le bilan énergétique est non trivial car
plusieurs sources pourraient contribuer de façon significative
La Luminosité actuelle L doit être soutenue par une source de
chaleur Q durant un temps t = Q/L :
I ”chimique”
Q = (0.1 eV) N p = 10 31 J τ ~ 10 10 ans
II “gravitation” Q = GM 2 /R = 4 10 32 J τ ~ 4 10 11 ans
III “nucléaire”
Q = (1MeV) N rad = 5 10 32 J τ ~ 5 10 11 ans
Ces trois sources de chaleur sont donc potentiellement capable de
soutenir le flux de chaleur observé sur des échelles géologiques …
Terre: M=6 10 24 Kg, R=6 10 6 m, N p ~M/m p =10 51 , L=4 10 13 W
Nombre de noyaux radioactifs estimé à N rad ~3 10 -7 N p
Th. Lasserre 02/04/2007 10

Radioactivité & chaleur interne terrestre
On considère la chaine : 238 U 206 Pb + … + ΔE
Energie échangée ΔE ~ 50 MeV
Temps de vie de la chaîne τ ~ 5 10 9 ans
Masse uranium m u ~ 200 m p
Géologie terrestre : M uranium ~ γ M Terre = 10 -7 M Terre
Energie produite par unité de masse et de temps δE:
δE= ΔE / m u τ ~ 1 erg/g/s (1 erg = 10 -7 J)
Énergie libérée par seconde par la Terre :
Q ~ (γ M Terre ΔE) / (m u τ)
Q ~ 33 TW
La radioactivité semble contribuer significativement à
la chaleur interne terrestre
Th. Lasserre 02/04/2007 11

Neutrino géophysiques où géoneutrinos
Uranium :
238
U 206 Pb + 8 4 He + 4 e - + 4 anti-ν e + 51.7 MeV
δE ( 238 U) = 0.95 erg/g/s N(U)/N(Si) = 9 10 -9
Thorium :
232
Th 208 Pb + 6 4 He + 4 e - + 4 anti-ν e
+ 42.8 MeV
δE ( 232 Th) = 0.27 erg/g/s N(Th)/N(Si) = 3.3 10 -8
Potassium : ~1.2 10 -4 de K nat est sous forme de 40 K
40
K + e - 40 Ar + ν e + 1.513 MeV (11%)
40
K 40 Ca + anti-ν e + e - + 1.321 MeV (0.05%)
δE (K) = 3.610 -5 erg/g/s N(K)/N(Si) = 3.7 10 -3
Abondance N/N(Si) dans le système solaire
Th. Lasserre 02/04/2007 12

Spectre en énergie des géo-anti-ν
Uranium : E max = 3.26 MeV
Thorium : E max = 2.25 MeV
Potassium : E max = 1.31 MeV
Th. Lasserre 02/04/2007 13

Flux de neutrinos attendus
Nombre de neutrino géophysiques: L ν = L N ν / ΔE
L est la production de chaleur interne
ΔE énergie dégagée dans la chaîne de désintégration
N ν le nombre de neutrinos émis
Neutrinos émis par “Terre chondrite carbonée”
- neutrino L ν (K) = 1.5 10 24 s -1 2 e
- anti- neutrino L ν (K) = 1.5 10 25 s -1 1 er
- anti- neutrino L ν (U) = 3.9 10 23 s -1 3 e
- anti- neutrino L ν (Th) = 3.3 10 23 s -1 3 e
Flux attendus pour une “Terre chondrite carbonée”
- φ ν =β L ν /4πR 2 , avec β = 1 3/2 3.5
- φ ν ~ 4 β 10 6 ν/cm 2 /s (comparable au flux de v solaires du 8 B)
Th. Lasserre 02/04/2007 14

Modèle de Terre chondrite carbonée
Hypothèse : la Terre a la même composition que les plus
vieux objets du système solaire, les chondrites
carbonées
Les rapports N(U)/N(Si), N(Th)/N(Si) & N(K)/N(Si) sont tirés des
analyses des analyse des météorites chondrites carbonées.
Le silicium est estimé contribué pour 15% de la masse
de la Terre
M(U) = 7 10 19 g L(U) = 6.7 TW 2 e,exeqo
M(Th) = 2.5 10 20 g L(Th) = 6.8 TW 2 e,exeqo
M(K) = 4.5 10 24 g L(K) = 16.8 TW 1 er
________________
L total = 30.3 TW
Th. Lasserre 02/04/2007 15

La croûte terrestre
La croûte et le manteau supérieur sont directement accessibles par
sondage géochimique.
D’après les géochimistes : U, Th sont lithophiles
Accumulation dans la croûte terrestre & enrichissement en U et Th par
rapport aux chondrites.
Les 10-50 Km de croûte peuvent contribuer pour une fraction importante
de l’U et Th de la “Terre chondrite carbonée”.
- U croûte ~ 1/2 U “Terre chondrite carbonée”
- Th croûte ~ 1/2 Th “Terre chondrite carbonée”
Cependant la croûte n’est pas enrichie en K !
- K croûte ~1/10 K “Terre chondrite carbonée”
- Où est passé le potassium ?
On estime la chaleur produite par la radioactivité de la croûte
terrestre à 10 TW. Où est le reste ?
Th. Lasserre 02/04/2007 16

Le manteau terrestre
Les tentatives de déduire la quantité de radioactivité produite à partir
d’échantillon du manteau sont assez incertaines !
Les profondeurs de prélèvement restent faibles, et la variabilité des
échantillon importante.
Le manteau est appauvri en éléments radioactifs par rapport à la
croûte. Néanmoins, sa masse beaucoup plus important lui confère
une production de chaleur de l’ordre de 10 TW.
Deux théories : manteau structuré en deux couches où homogène
Le potassium se fait aussi rare dans le manteau que dans la croûte :
- K/U croûte+manteau ~1/4 K/U “Terre chondrite carbonée”
- Où est passé le potassium, source principale de chaleur ?
- S’est t-il échappé lors de la formation de la Terre ?
- Est t-il dans le noyau ?
Th. Lasserre 02/04/2007 17

Cas du potassium (K)
Les mesures de la croûte montrent une déplétion d’un facteur 7 en K
par rapport aux chondrites carbonées
K est assez lourd pour ne pas s’être échappé de la Terre lors de son
évolution
Mais comportement du K lors de l’accrétion de planétesimaux ?
Volatilisation ?
A haute pression K se comporte comme un métal
Diffusion à travers le globe ?
Présence de K dans le noyau ?
Source du champ magnétique terrestre ?(Rama Nature 2003).
Débat ouvert intérêt primordial de la mesure des géo-ν du K !!!
Th. Lasserre 02/04/2007 18

Paradigme de la Terre entièrement silicatée
Les météorites chondrites carbonée sont considérées comme
représentatives de la composition du système solaire primitif
Estimation de la composition chimique de la Terre à partir de modèle
de formation des planètes (pertes & accrétion de matière)
Déduction de la quantité d’U/Th/K dans la Terre primitive
La composition d’U/Th/K est mesurée dans la croûte (océanique et
continentale) et le manteau supérieur
Elaboration d’un modèle de Terre de réference en accord avec
(presque) toutes les données receuillies
La Terre compètement silicatée (BSE, pour Bulk Silicated Earth)
U
Th
40 K
M(10 17 kg)
0.8
3.1
0.8
H R
(TW)
7.6
8.5
3.3
L ν
(10 24 /s)
5.9
5.0
21.6
Incertitudes sur les masses : 15 %
Flux total radiogénique: 19 TW
Luminosité ν donnée par K
Th. Lasserre 02/04/2007 19

Cartographie de la croûte terrestre (2x2 degrés)
Croûtes continentale et océanique
3 couches verticales (moyennes des valeurs en U/Th/K par case)
Incertitudes à partir de la dispersion des mesures
Manteau supposé uniforme
structure sans impact sur le flux de neutrinos
Modélisation de la Terre BSE
Pas de radioélements dans le Noyau
Cas du potassium à discuter
Rapport Th/U ~3.9
Rapport Th/U
4.0
3.8
3.6
3.4
3.2
3.0
2.8
F. Montovani et al. Phys.Rev. D69 (2004) 013001
Th. Lasserre 02/04/2007 20

Chaleur interne radioénique
3 modèles plausibles (domination anti-ν e du 40 K)
Terre “chondrite carbonée”
75% de Φ Terre
40 K/U=1
Terre “BSE”
50% de Φ Terre
40 K/U=1
Terre “complètement radiogénique” 100% de Φ Terre
Th/U=4, 40 K/U=1
25
Chaleur (TW)
150
Luminosité ν [10 24 /s]
CON
BSE
FUL
20
15
10
5
0
U Th K NR
100
50
0
U Th K-A K-N
CON BSE FUL
F. Montovani et al. Phys.Rev. D69 (2004) 013001
Th. Lasserre 02/04/2007 21

Flux de géoneutrinos (BSE)
Flux attendu pour l’énergie
E à la position r
Spectre en énergie
des géo-ν
Masse d’isotope /
unité de masse
Densité de la roche
Taux de désintégration /
unité de masse
Intégration sur le
volume terrestre
Probabilité de survie
des anti-ν e
Distance source-détecteur
On néglige l’absorption des neutrinos dans la Terre
Th. Lasserre 02/04/2007 22

Carte du flux de géoneutrinos (BSE)
Prédiction du nombre de neutrinos d’U+Th
1 TNU = 1 évènement pour 1032 protons libres de cible par an
KamLAND : 8 10 31 H cibles
TNU
111
93
75
56
37
21
3
F. Montovani et al. Phys.Rev. D69 (2004) 013001
Th. Lasserre 02/04/2007 23

Détection des géoneutrinos (U/Th)
Bruit de fond accidentel
Signal antineutrino électronique
n
γ
+
H
ν e
511 keV
Eγ >~ 1 MeV
Σγ ~ 2,2 MeV
p
n
e +
511 keV
H
Σγ ~ 2,2 MeV
prompt e + & capture n sur H
- Prompt e+, E P =1-10 MeV,
Bruit de fond corrélé
Corrélation thermalisation temporelle: neutron τ ∼ 30µsec
- Neutron capturé sur H, E R =2,2 MeV Corrélation spatiale: < 1m
H
- Seuil à 1.8 MeV uniquement utilisable n pour les géo-ν de U & Th
Σγ ~ 2,2 MeV
Th. Lasserre 02/04/2007 24

KamLAND
Observatoire de ν de basse énergie, mine de Kamioka, Japon (2700 mwe)
1000 tonnes de liquide scintillant, observés par 1845 PMT’s
Programme de physique:
1) Test la solution LMA
2) Neutrino solaire (raie du Béryllium)
3) Géoneutrinos
Identification de la solution Large
Mixing Angle (LMA) du problème des
neutrinos solaires
Th. Lasserre 02/04/2007 25

KamLAND
LS : 80%: dodecane
20%: pseudocumene
1.5g/l: PPO
Huile :50%: dodecane
50%: isoparafin
Couverture des PMTs: 34%
~ 500 p.e. / MeV ~ 8000 photons/MeV
λ~ 10m
Th. Lasserre 02/04/2007 26

KamLAND
1 TNU = 1 évènement pour 10 32 protons libres de cible par an
8 10 31 protons libres
Th. Lasserre 02/04/2007 27

Mesures des oscillations de ν (2004)
Mesures ν réacteurs (16 centrales, ~180 km)
Sélection des événements E vis >2.6 MeV (E ν >3.4 MeV) Pas de géo-ν
258 évènements neutrinos réacteurs
Attendus : 356.2 ± 23.7 – Bruits de fond : 7.5 ± 1.3
Disparition de anti-ν e confirmée à 99.995%
Paramètres d’oscillation : Δm 2 =7.9 +0.6 -0.5 10-5 eV 2 & sin 2 (2θ 23 )=0.82±0.07
E seuil
=1.8 MeV
E vis
= E ν
-E seuil
+2m e
Th. Lasserre 02/04/2007 28

Correction due aux oscillations de ν
P(ν e → ν e ) = 1 - sin 2 (2θ 12 ) sin 2 (Δm 2 21 L/4E)
Énergie des ν ~MeV & Distance caractéristique

Sélection des événements géo-ν
Volume fiduciel
Sélection d’une sphère R

Candidats géo-ν
Prompt Signal (E ν
.8MeV)
152 events
Delayed Signal(2.2MeV)
Vertex Correlation (60cm)
Time Correl. (τ=210µs)
Exposition: 749.14 days
• # de protons: 3.459x10 31
Th. Lasserre 02/04/2007 31

Mappemonde géo-ν
1 TNU = 1 évènement pour 10 32 protons libres de cible par an
Modèle BSE
Th. Lasserre 02/04/2007 32

Origine des géo-ν à KamLAND
#
!
4
6 " 2 " 1
$ %
& 10 cm s
'
Sediments
Contribute to
Φ [U] in %
3.2 %
Contribute to
Φ [Th] in %
3.3 %
3
Upper Crust
41.6 %
40.4 %
2
Middle and
Lower Crust
28.8 %
32.4 %
Upper
Mantle
5.2 %
3.4 %
1
Lower
Mantle
20.8%
20.3%
0
Uranium
Thorium
Oceanic
Crust
0.4 %
0.2 %
~70% du signal provient de la crôute terrestre
indispensable à modéliser correctement pour tirer des conclusions sur la
géochimie du manteau terrestre
Th. Lasserre 02/04/2007 33

Importance de la géologie locale
50% du flux attendu provient de moins de 500 km
Modélisation de la géologie japonaise pour prédire le flux de géo-ν
Position du Japon entre continent et océan
Survey géologique japonais de Togashi et.al. (2000)
Correction appliquée de l’ordre de 10% du signal total
Assuming uniform crustal composition
1 TNU = 1 évènement pour 10 32 protons libres de cible par an
Th. Lasserre 02/04/2007 34

Spectre de géo-ν attendu
408 tonnes CH 2 (cible dans R

Simulation & résultats
Nature 436, 28 July 2005
BG + Geoneutrinos
Prédiction :
modèle BSE +
informatons
géologie
locale
BG Total
Reactor
(α,n)
Th-series geoneutrino 4.0 events
-series geoneutrino 14.9 events)
Accidental
Th. Lasserre 02/04/2007 36

Bruits de fond
Total : 127.4 ± 13.3 (syst.)
Neutrinos
Réacteur : 80.4±7.2
Combustible usagé : 1.9±0.2
152 events
observed
Cosmogéniques
Neutrons rapidesextérieurs) : < 0.1
Spallation ( 9 Li) : 0.30±0.047
Impuretés radioactives
Fortuites 2.38±0.0077
Fission spontanée < 0.1
Réaction (α,n) 42.4±11.1
Réaction (γ,n) négligeable
Th. Lasserre 02/04/2007 37

Bruit de fond (α,n)
1 7.117
α produits par les contaminants du LS 2 + 6.917
210
Pb
210
Bi
210
Po
206
Pb
22.3 y 5.013 d 138.4 d stable
210 Po α
4.1MeV
3
6.130
6.049
222 Rn
α
13 C (α,n) 16 O
7.3 MeV, quenching 1/3
13 C + αn
2.2MeV
γ
16 O
0 + 0 +
e + e
13
C (α,n) 16 O *
14 N (α,n) 17 F
15 N (α,n) 18 F
17 O (α,n) 20 Ne
18 O (α,n) 21 Ne
n
16
O * (6.13) 16 O + γ
16
O * (6.05) 16 O + e + + e
n + p n + p
n + 12 C
n + 12 C * 12
C + γ(4.4MeV)
Signal
prompt
Th. Lasserre 02/04/2007 38

Bruit de fond 13 C(α,n) 16 O
(α,n) dominant avec le bdf réacteurs
Amélioration prévues
réduction des impuretés radioactives par purification du LS
Facteur 1O 5 pour la phase KamLAND Solaire
Section efficace des (α, n)
Réduction des erreurs de prédiction du spectre/flux
Hypothèses:
Exposition : 749 jours
Volume fiduciel de 5.5m
Efficacité de 90%
Phase KamLAND « solaire »
Erreur réduite de 54% à 28%
Niveau de confiance99.96%
Erreur dominée par la stat du bruit de
fond réacteur
Th. Lasserre 02/04/2007 39

Analyse: norme et forme
Analyse du nombre d’événement
Observé : 152
Bruit de fond : 127.4 ±13.3 (syst.)
Excès : 24.6±17.9
Erreur systématique: 5.0% (volume fiduciel)
Analyse en norme
Zéro géo-ν exclu à 91.4% C.L.
Meilleur fit Ngéo-ν 25 (19 d’après BSE
Limite supérieure à 99% C.L. 72 evts.
Analyse en forme + norme
Contrainte Th/U = 3.9
N géo-ν =0 exclu à 95.3% (1.99σ)
intervalle à 90% C.L. : 4.5 to 54.2
Limite supérieure à 99% C.L.0.7
Th. Lasserre 02/04/2007 40

Félicitation à KamLAND !!!
D’après E. Lisi
T. Araki et al., Nature,
436, 499, 2005.
KamLAND
collaboration, Phys. Rev.
Lett., 90, 021802, 2003.
Th. Lasserre 02/04/2007 41

Comparaison avec les modèles terrestres
Résultat de KamLAND compatible avec les modèles terrestres
Mais limite supérieure à 99% C.L. au delà des contraintes terrestres
Après
purification LS
Th. Lasserre 02/04/2007 42

Contraintes sur la source radiogénique
( )
33
+
Signal KamLAND : S U + Th = 57!
31TNU
Flux de chaleur radiogénique associé :
+ 35
( + ) =
H U Th 38 TW
! 33
G. Fiorentini et al. - Phys.Lett. B 629 – 2005
Compatible avec
Modèle BSE
Terre
complètement
radiogénique
Limite supérieure
99% C.L.
H( U + Th)
< 160TW
Th. Lasserre 02/04/2007 43

Contraintes les oscillations de neutrinos
Analyse de la totalité du spectre des 1 er données de KamLAND en 2002
E>1 MeV (au lieu de E>2.6 MeV) confirmation des résultats
Acceptable a 1σ
Best
Th. Lasserre 02/04/2007 44
Phys.Lett. B558 (2003) 15-21 , Fiorentini, Lasserre, M.Lissia, Ricci, Schönert

Objectifs des prochaines expériences
Démontrer l’existence des géo-ν à 3-σ
KamLAND, Borexino
Combien d’U/Th dans la croûte
KamLAND, Borexino, SNO+, LENA
Combien D’U/Th dans le manteau
Hano-Hano
Tester l’hypothèse du géo-réacteur
Hano-Hano
Où est le potassium ? Détection des (géo-ν) K
?
…
Th. Lasserre 02/04/2007 45

Localisation des détecteurs
SNO+
LENA
Baksan
Hano-Hano
KamLAND
EARTH
Borexino
F. Montovani et al. Phys.Rev. D69 (2004) 013001
Th. Lasserre 02/04/2007 46

KamLAND
Sudbury
Borexino
LENA
Baksan
Homestake
Hawaii
Curacao
R Bruit de fond « réacteur »
6.7
1.1
0.9
0.5
0.2
0.2
0.1
0.1
événements réacteurs
R (E

Les prochaines expériences
KamLAND : confirmation du signal géo-ν à 3-σ (purification LS)
Borexino (Italie) : masse + faible mais meilleur Signal/Bruit
SNO+ (Canada) : 1 kt de LS ~2010 nouvelle confirmation
Hano-Hano (Hawaii) : 5 kt de LS ~2015 ? Manteau + géo-réacteur
LENA (Finlande) : 50 kt LS énorme statistique !
1 TNU = 1 evt / 10 32 H / an
Th. Lasserre 02/04/2007 48

Laboratoire du Gran Sasso ,
Réacteurs en France, Suisse, Allemagne, ~ 800 km
300 tonnes de pseudocumene pur, BDF (α,n) négligeables
~30 interactions/an (réacteurs) ~8 intéraction géo-ν/an R= 0.9
Remplissage en cours. Début prise de données 2007
Borexino
Simulation (5 ans)
Th. Lasserre 02/04/2007 49

Borexino: installation voile nylon (2004)
Th. Lasserre 02/04/2007 50

SNO +
SNO : 1000 tonnes D 2
O
Enceinte acrylique : 12 m de diamètre.
Inox 18 m diamètre, 9500 PMTs
Remplissage avec liquide scintillant
64 géo-ν/an (1000 tonnes CH2)
87 événements réacteurs
Configuration géologique simple
croûte ancienne épaisse
Rapport Th/U, contenu croûte …
Fraction du flux total
Signal intégrale de géo-ν à SNO+
Croûte : blue
Manteau: black
Total : red
Profondeur: 6010 mwe
Distance (km)
Th. Lasserre 02/04/2007 51

LENA
Site en Finlande
Th. Lasserre 02/04/2007 52

Mesure futures: intêret de chaque site
Prédiction
BSE [TNU]
KamLAND
Borexino
Sudbury
Hawaii
LENA
Prédiction
BSE [TNU]
Homestake
Baksan
Signal (U+Th)
de la croûte*
26.4
32.8
43.3
3.6
44.0
Signal (U+Th)
de la croûte*
43.8
43.3
Signal (U+Th) du
manteau*
9.3
9.3
9.3
9.3
9.3
Signal (U+Th)
du manteau*
9.3
9.3
Signal
(U+Th) total
35.7
42.1
52.6
12.9
53.3
Signal
(U+Th) total
53.1
52.6
6.7
0.9
1.1
0.1
0.5
0.2
0.2
Expérience ou projet Site
Curacao
24.3
9.3
33.6
0.1
1 TNU = 1 évènement pour 10 32 protons libres de cible par an
Th. Lasserre 02/04/2007 53

Hano-Hano :
Hawaii Anti-Neutrino Observatory
Détecteur sous-marin (5-10 kt) au large d’Hawaii
Objectifs :
Mesure des géo-ν du manteau U/Th @15%
Recherche d’un signal de l’hypothétique « géo-réacteur »
Loin des côtes et des pays producteurs d’énergie nucléaire
bruit de fond réacteur négligeable (R~0.1)
Croûte océanique (fine !) bruit de fond des géo-ν « croûte » réduit
Au fond de l’océan pacifique (4000 mwe) bruits de fond réduits
S. Enomoto
Ancien site de Dumand
Th. Lasserre 02/04/2007 54

Nombre d’évènements prédits :
Manteau : ~8 evts / 10 Kt-an (1.7

Résumé des prochaines mesures
Borexino : Bonne mesure de (U/Th) croûte , faible R, mais M=300t
KamLAND : fort R, mais expérience pionnière
Homestake (USA) et Baksan (Russie) ont des bruits de fond
« réacteurs » plus faibles
Pour chacun de ces détecteurs:
80% du signal vient de la croûte mesure de (U/Th) croûte
réduction des incertitudes par une cartographie minutieuse de
la géologie des sites des expériences neutrinos
Hawaii :
Le plus faible R
70% du signal en provenance du manteau terrestre
unique opportunité de sonder la géochimie du manteau !
Mais signal faible il faut quelques kt de masse cible …
Contraintes sur le géo-réacteur ?
Th. Lasserre 02/04/2007 56

Le géo-réacteur: l’hypothèse
Il y à 4.5 milliards d’années 235 U/ 238 U était assez élevé pou initier et
entretenir les réactions de fissions nucléaires
Un réacteur nucléaire au centre de la Terre (n rapides, 238 U/ 232 Th)?
– Proposé par Herndon : J. M. Herndon, Proc. Nat. Acad. Sci. 93, 646 (1996);
D. F. Hollenbach and J. M. Herndon, Proc. Nat. Acad. Sci. 98, 11085 (2001)
Puissance entre 3 et 10 TW pendant 3 milliards d’années?
Source d’énergie du champ magnétique terrestre
Explication naturelles des renversements de B terrestre
Explication du rapport 3 He/ 4 He
Mesures : Hawaii, Islande par rapport à l’atmosphère
Mesures 40 fois supérieures aux prédictions BSE ?
Théorie marginale chez les géophysiciens et les géochimistes !
Mais PAS d’arguments clefs pour tuer cette hypothèse
Intérêt des géo-ν unique moyen de détection
Th. Lasserre 02/04/2007 57

Le géo-réacteur : le modèle
Fer
Modèle BSE :
Noyau : chondrites
carbonnées
U & Th sous forme d’oxydes
élements litophyles
diffusion dans le manteau et la
croûte
Pas de U/Th dans le noya
NiSi x
Modèle de Herndon :
Noyau :
chondrites enstatites (rares)
U and Th dans des alliages
avec Fe ou S
Élements sidérophiles
Haute densité
Diffusion U/Th dans le noyau
Th. Lasserre 02/04/2007 58

Le géo-réacteur: fonctionnement
Simulation avec le code SCALE
(Hollenback & Herndon) :
démonstration de la possibilité du
géo-réacteur
- 4.5 milliards d’année 235U/238U assez
grand
n rapides, Réacteur à 238 U/ 232 Th
Empoisonnement par produit de fission +
diffusion géomagnétisme variable
Puissance 3-10 TW
Simulation 3 He/ 4 He
Résulats pertinents la production de
tritium
3 H produit par géo-réacteur
σ(T,n) faible, forte mobilité
Désintégration en 3 He
Survie en region pauvre en neutrons
Rapports 3 He/ 4 He en accords avec les
mesures d’Hawaii et d’Islande
Th. Lasserre 02/04/2007 59

Signal géo-réacteur similaire aux neutrinos de réacteurs nucléaires
Puissance & composition isotopique inconnues (1-10 TW)
Fenêtre en énergie : E ν >3.4 MeV
Signal attendu pour 10 kt.an : 38 géo-ν / TW (bdf estimé à : 30±2)
Sensibilité limite P>0.5 TW @95% C.L
Hano-Hano
Le géo-réacteur: signal ν
Th. Lasserre 02/04/2007 60

Les géo-neutrinos du potassium
Modèle BSE : 40 K 16% de la chaleur radiogénique
Mais varie beaucoup avec les modèles
3 ème radioisotope après 238 U and 232 Th
40 K flux de géo-ν le plus important !
Questions ouvertes (géochimie) :
Présence de K dans le noyau (V. Rama Murthy) ?
Les mesures de la croûte montrent une déplétion
d’un facteur 7 en K par rapport aux chondrites
carbonées
Où est le potassium ? Quelle quantité ?
Intêret fondamental de la mesure des géo-ν du 40 K
Th. Lasserre 02/04/2007 61

Désintégration du 40 K
Abondance isotopique : 0.0117%
89.28% Q β- =1.311 MeV
10.72% Q EC =1.505 MeV
- 10.67% des cas état 1.461 MeV (E ν = 44 keV)
- 0.05% vers le fondamental (E ν = 1.5 MeV)
Th. Lasserre 02/04/2007 62

Détection des ν du 40 K
Détection difficile !
anti-ν e
(5-15) × 10 6 cm −2 s −1 for the anti-ν e
E=1.311 MeV < seuil de la désintégration β-inverse …
ν e
(5-15) × 10
5
cm −2 s −1 for the 44 keV ν e on oublie …
(2-6) × 10 3 cm −2 s −1 for the 1.5 MeV ν e noyé dans le
flux de ν solaires pep à 1.44 MeV : 1.42 × 10 8 cm −2 s −1
Techniques de détection
Diffusion élastique difficile à cause du flux solaire
Rechercher une réaction CC favorable ?
Diffusion cohérente ?
Th. Lasserre 02/04/2007 63

Les géo-neutrinos du potassium
Réaction β-inverse avec Q β < 1.311 – 1.022 = 0.289 MeV
Cas intéressant (M. Chen, 2005) : 106 Cd
Abondance isotopique 1.25% (un peu faible ..)
T r a n s i t i o n p e r m i s e 0 + → 1 + v e r s 1 0 6 A g ( f o n d a m e n t a l )
Q β = 194 keV
émission d’un e + (1.02-1.12 MeV) suivi par
une capture électronique & β + à t½=24 min
Émission d’un 2 ème e+ (2 MeV dans 50% des cas)
Détection directe envisageable par la recherche d’un
double signal positron
Masse d’isotope de 106 Cd importante enrichissement de
cristaux scintillants de CdWO4
1-10 événements / kt / an …
Appauvrissement en 113 Cd (β) et 116 Cd (ββ)
Th. Lasserre 02/04/2007 64

Conclusions
Il reste quelques problèmes ouverts fondamentaux en
géochimie
Modèles de formation de la Terre
Chaleur 1 TNU interne = 1 évènement terrestre pour 10 : origine ? Bilan quantitatif ?
32 protons libres de cible par Abondance U/Th dans le manteau / noyau ?
Abondance & localisation du K
K dans le cœur
Déplétion dans la croûte
Géo-réacteur: Champs magnétique terrestre, 3 He/ 4 He ?
Un détecteur efficace et massif de géo-neutrinos
loin des centrales nucléaires est en mesure
d’adresser quantitativement ces questions
Th. Lasserre 02/04/2007 65

Soleil et Terre vues en neutrinos …
Versus
SOLEIL
Superkamiokande,
1500 jours de pose
TERRE
Th. Lasserre 02/04/2007 66

Conférence AAP 2007
Workshop Applied Antineutrino Physics 2007
(AAP 2007)
December 13-14, 2007
APC Laboratory, Paris, France
http://www.apc.univ-paris7.fr/
Colloques précédents sur le même thème :
-AAP 2004: Neutrinos and arms control workshop, Honolulu, USA, 5-7 February 2004
- http://www.phys.hawaii.edu/~jgl/nacw/
-AAP 2005: Neutrino Geophysics, Honolulu, USA, December 14-16, 2005
- http://www.phys.hawaii.edu/~sdye/hnsc.html
-AAP 2006: Applied Antineutrino Physics Workshop, LLNL, USA, September 24-26, 2006
- http://www.llnl.gov/neutrinos/workshop/aap2006.html
Th. Lasserre 02/04/2007 67