Neutrinos DUNE

Le groupe neutrinos de l’IP2I a une longue expérience de la physique des oscillations des neutrinos et du développement de détecteurs. Il se concentre actuellement sur l’expérience Deep Underground Neutrino (DUNE), à laquelle il contribue depuis ses débuts en 2014, avant la naissance de la collaboration DUNE.

La découverte des oscillations de neutrinos, récompensée par le prix Nobel de physique en 2015, fournit aujourd’hui la seule preuve en physique des particules élémentaires pour la physique au-delà du modèle standard. L’expérience DUNE, hébergée au Long Baseline Neutrino Facility aux États-Unis, va aborder les aspects fondamentaux du mélange et de l’ordonnancement des masses des neutrinos et rechercher la violation de CP dans le secteur des neutrinos. La violation de CP dans les neutrinos pourrait fournir une explication possible de l’asymétrie matière-antimatière observée dans l’univers actuel.

DUNE exploitera un faisceau de neutrinos muoniques se déplaçant sur 1300 km dans la croûte terrestre, du Fermilab au centre de recherche souterrain de Sanford, où un détecteur composé de quatre chambres à dérive à argon liquide de 10 kT est situé à 1500 m sous terre. Un autre détecteur au Fermilab mesure le faisceau de neutrinos après sa production. La comparaison permet de démontrer les changements dans le faisceau de neutrinos, et de mesurer les paramètres d’oscillation des neutrinos. Le faisceau peut être constitué de neutrinos ou d’anti-neutrinos, ce qui permet de rechercher la violation de la CP dans les oscillations des neutrinos et de déterminer la hiérarchie de masse des neutrinos, grâce aux effets de la matière sur les oscillations de neutrinos se produisant dans la croûte terrestre.

DUNE recherchera également des phénomènes rares, prévus par les théories de la Grande Unification, tels que la désintégration des protons et les oscillations neutron-antineutron. Il étudiera également les neutrinos cosmiques et solaires, et se penchera sur les sursauts de neutrinos des supernovae avec des statistiques, une précision temporelle et une sensibilité d’identification des neutrinos sans précédent.

Le groupe neutrinos de l’IP2I mène depuis 2006 un programme de R&D intensif sur la lecture des détecteurs TPC à argon liquide, également soutenu par le LABEX LIO. Il a apporté d’importantes contributions au DUNE et au prototype double-phase protoDUNE de la plateforme neutrinos du CERN.

Le groupe IP2I mène intensivement plusieurs activités expérimentales sur la R&D de l’analyse de la lecture de charge pour les Chambres à Dérive à Argon Liquide ; l’expérience sur les oscillations de neutrinos sur faisceau longue distance DUNE aux États-Unis et l’expérience ProtoDUNE à technologie double-phase (NP02) au CERN.

R&D de l’analyse de la lecture de charge d’Argon liquide TPC

Depuis 2006, le groupe neutrinos de l’IP2I mène, avec le soutien des services techniques de l’IP2I, une activité de R&D intensive sur la lecture de charge des détecteurs TPC à argon liquide, en vue de préparer la prochaine génération d’expériences de longue distance basées sur de grands détecteurs de neutrinos à argon liquide.

Cette activité a été soutenue par plusieurs programmes de R&D avec la participation de l’IN2P3, LAGUNA-LBNO, AIDA-2020 et le LABEX LIO. Le programme de R&D comprend plusieurs axes :

• développement d’amplificateurs cryogéniques ASIC
• développement d’une électronique de numérisation à large bande passante en uTCA bon marché
• développement du système de chronométrage basé sur la norme White Rabbit
• développement du système DAQ back-end à large bande passante et stockage de données

L’électronique a trouvé de nombreuses applications dans les prototypes double-phase CERN 3x1x1, protoDUNE et dans DUNE.

Le groupe bénéficie pour ses activités de R&D d’une infrastructure complète de laboratoire d’argon liquide (CCIF-LAr) in situ, unique en France, avec un TPC d’un volume défini de 300 litres. Cette infrastructure de laboratoire a été construite avec le soutien du LABEX LIO.

Expérience Dune

Le groupe de neutrinos IP2I se concentre actuellement sur l’expérience DUNE, hébergée auprès de l’infrastucture LBNF (Long Baseline Neutrino Facility) en construction aux États-Unis, qui va aborder les aspects fondamentaux du mélange et de la commande de masse des neutrinos et rechercher les violations de la symétrie CP dans le secteur des neutrinos.

Le groupe a contribué au projet DUNE depuis ses débuts, en s’impliquant en 2014 dans le Conseil exécutif international provisoire, qui a rédigé la lettre d’intention à l’origine de la collaboration DUNE. Elle a ensuite continué à contribuer dans le cadre de DUNE à la conception et au développement du détecteur éloigné à argon liquide en travaillant sur la conception du module double-phase.

Le groupe IP2I a des responsabilités dans le DUNE/protoDUNE double-phase, en particulier avec la direction du DUNE dual-phase Electronics Consortium et la conception et la mise en œuvre de l’électronique de lecture de charge et du système DAQ dans le prototype double-phase protoDUNE , expérience NP02 à la Plate-forme de neutrinos du CERN. Ce système a été conçu et testé en vue du module détecteur double-phase de DUNE de 10kT

Le groupe IP2I poursuit également des activités intensives de développement et d’analyse de logiciels dans le cadre de DUNE (études sur l’oscillation des neutrinos et l’apparition des neutrinos tau, neutrinos supernova) et contribue à l’organisation informatique de DUNE.

ProtoDUNE double-phase (expérience NP02 au CERN)

Le groupe IP2I a contribué à la conception, la construction, la mise en oeuvre, l’exploitation et l’analyse des données de protoDUNE double-phase, en ayant également prévu pour ce détecteur l’électronique analogique de lecture de charge, les systèmes de numérisation et de chronométrage et le système DAQ, qui ont été installés et mis en service au printemps 2019.

Ces travaux sont le résultat du programme systématique de R&D lancé en 2006. La conception IP2I est la base du TDR DUNE rédigé par le DP Electronics Consortium pour la construction du module double-phas de 10 kT. Ce qui a été construit pour ProtoDUNE-DP est représentatif de 1/20 du système nécessaire pour un module DUNE complet :

• Les amplificateurs analogiques frontaux avec le développement des ASICs cryogéniques et la conception, la production, les tests et l’installation des cartes frontales cryogéniques fonctionnant à 110K au fond des cheminées de passage des signaux (64 canaux/carte, 7680 canaux au total) et du système de distribution basse tension et des brides d’interface associées.
• La conception, la production, les tests et l’installation des cartes AMC uTCA pour la numérisation des signaux et le système DAQ frontal à large bande passante, basé sur Ethernet (64 canaux/carte, échantillonnage à 2,5 MHz, 7680 canaux au total)
• La conception, la production, les tests et l’installation du système de chronométrage/déclenchement, basé sur un développement reposant sur la norme White Rabbit, y compris les nœuds terminaux White Rabbit intégrés dans le système uTCA
• La conception, la production, les tests et l’installation du système DAQ back-end, comprenant : l’infrastructure réseau, deux niveaux de machines de construction d’événements, un système de stockage distribué de 1,5 peta octets capable d’enregistrer 20 GB/s et une ferme de calcul en ligne comprenant 450 cœurs pour la reconstruction rapide des événements en temps réel. Le matériel déployé dans le back-end pour le système de stockage, la ferme de calcul et plusieurs serveurs DAQ a été acheté en collaboration avec le CCIN2P3 grâce à un don fait à l’IP2I
• Le développement du logiciel en ligne pour l’acquisition de données depuis le DAQ front-end jusqu’à l’élaboration d’événements et le logiciel pour la gestion et la synchronisation des différents composants du système back-end et de l’informatique en ligne
• Le développement du logiciel hors ligne et de l’organisation informatique, en collaboration avec le CERN, le FERMILAB et le CCIN2P3, et le support général et les outils pour l’analyse des données

Un sous-ensemble (1280 canaux) de l’électronique et du système DAQ fourni par l’IP2I avait déjà fonctionné avec succès en 2016-2017 au CERN sur le prototype double-phase 3x1x1.