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SNO  Queens  Physique   

Les Astroparticules à Queen's - Projets

(in english)
 
SNOLAB

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Laboratoire souterrain pour la physique des astroparticules

Un nouveau laboratoire souterrain appelé SNOLAB a été construit à une profondeur de 6800 pieds dans le même site que SNO, proche de Sudbury. Cette installation sera l’hôte de plusieurs expériences qui ont pour but de répondre à certaines questions comme les propriétés des neutrinos et la nature de la matière sombre et de la l’énergie sombre et comment sont elles liées à l’origine de notre univers. Un laboratoire souterrain est nécessaire pour chercher les événements rares qui représentent une signature des neutrinos et de la matière noire (sombre) qui permettront de sonder le cosmos.

Les différentes expériences d’astroparticules développées à Queen's sont citées ci-dessous. Vous trouverez plus de détails pour chaque projet.

 
SNO

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L’Observatoire de Neutrinos de Sudbury

L’expérience SNO a été conçu pour étudier les neutrinos qui arrivent du soleil et montrer qu’ils peuvent changer de saveur durant leur trajet depuis le coeur du soleil jusqu’à la terre.

La prise de données a connu la fin en novembre 2006. L’analyse de ces données continuera par contre jusqu'à 2010. Elle sera focalisée sur la phase du courant neutre et la combinaison des trois phases de l’expérience. C’est possible pour les étudiants qui débuteront en 2007 de travailler sur l’analyse des données de SNO, conjointement avec d’autres aspects du détecteur.

Les neutrinos sont considérés comme les particules les plus classiques de l’univers et sont parmi les plus difficiles à détecter. La majorité des neutrinos détectés sur terre proviennent du soleil. Près de 2 % de l’énergie totale émise par le soleil est éjectée en forme de neutrinos. Les neutrinos peuvent aussi provenir des désintégrations radioactives, explosion des supernovas où 99 % de l’énergie produite est sous forme de neutrinos, ou comme relique du Big Bang.

Le détecteur SNO observe de minuscules flashs de la lumière qui résulte de l’interaction des neutrinos en utilisons un ensemble de 9600 photomultiplicateurs de 20 cm de diamètre, chacun, sensible à un seul photon. Le détecteur étant rempli de 1000 tonnes d’eau lourde, permet la détection des neutrinos via trois différentes interactions nucléaires. Une analyse très soigneuse permet d’obtenir des résultats d’une particule dont les propriétés étaient jusqu'à présent peu connues.

PICASSO

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Recherche de la matière noire en utilisant des gouttelettes surchauffées

PICASSO est une expérience qui veut mettre en évidence l’existence de la matière noire dans notre système solaire en utilisant un détecteur avec la technique de gouttelettes surchauffées. L’expérience est située à SNOLAB à Sudbury en Ontario. Le groupe à Queen's est chargé du design, de l’installation et du fonctionnement de tout le système.

Les théories de la supersymétrie favorisées par les physiciens des particules actuels, prédisent l’existence d’une particule stable lourde qui interagit seulement par interactions faibles. Ces particules sont connues sous le nom de WIMP.

PICASSO utilise des minuscules gouttelettes de fréon (200 μm) suspendues dans un gel comme milieu détecteur des WIMP. Les gouttelettes sont maintenues à une température très élevée, et quand un WIMP interagit avec une gouttelette, le fréon change de phase vers état gazeux. Cette transition crée une onde choc qui va être détectée par un capteur piézo-électrique.

Chaque détecteur possède 9 capteurs piézo-électriques et contient 4,5 litres de gel. Les détecteurs sont maintenus à une certaine température dans une enceinte et entourés avec de l’eau qui joue le rôle d’un blindage afin de réduire les radiations qui proviennent du bruit de fond. Actuellement, 29 détecteurs sont opérationnels à SNOLAB, 3 autres sont prévus dans le futur.

 
SNO+

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Détecteur à scintillateur liquide pour les neutrinos à faible énergie

SNO+ est un projet considéré comme une continuité de SNO. Il utilisera la plupart des composants du détecteur SNO, à part que l’eau lourde sera remplacée par un nouveau scintillateur liquide fait à partir d’Alkylbenzène linéaire. SNO+ sera sensible aux neutrinos solaires à faible énergie comparé à SNO. Il sera capable également de détecter les antineutrinos produits par les réacteurs nucléaires et par la désintégration naturelle des radio-isotopes présents dans la terre. Ceci permet à SNO+ de couvrir plusieurs domaines, non seulement la physique du neutrino, mais aussi la physique solaire, la géophysique et la géochimie.

La mesure de la probabilité de survie des neutrinos solaires des réactions PEP avec précision, permet à SNO+ de sonder le couplage qui existe entre les neutrinos et la matière dans la région sensible aux nouveaux phénomènes. Ceci permettra de déceler la présence de nouvelles physiques tel que les couplages non-stantard aux nouvelles particules, ou la présence d’effets sous-dominants en oscillation à partir de neutrinos stériles.

On peut remplacer le liquide scintillateur par du néodyme, un isotope qui donne naissance à une double désintégration bêta. Avec une tonne de néodyme répandu dans le détecteur, SNO+ pourra détecter les événements issus de la double désintégration bêta sans émission de neutrinos. Ceci permettra de faire la lumière sur la nature de la conjugaison de charge du neutrino et sur son échelle de masse. Les deux auront un impact sur notre compréhension de l’évolution de l’univers.

Comme pour SNO, Queen's est chargée du développement du projet : la construction durant la transition, la purification du scintillateur et de l’ingénierie, l’optique du scintillateur liquide, le détecteur et de la simulation physique. Il y a des opportunités pour s’impliquer dans différents aspects du projet.

 
DEAP

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Recherche de la matière noire avec de l'argon liquide

Avec ce prototype, on veut démontrer qu’on peut distinguer les événements considérés comme bruit de fond des événements de la matière noire (particules bêta et gamma), en utilisant de l’argon liquide à un niveau un sur un milliard. Avec un niveau de bruit de fond très bas, le futur détecteur devrait être sensible à des sections efficaces inférieures à 10-46cm2, et augmenter la sensibilité aux particules de la matière noire d’un facteur de 1000. La mise en service du détecteur au laboratoire souterrain SNOLAB est prévue pour 2009.

Le Groupe DEAP à Queen’s est chargé du design cryogénique, la construction du système de purification de l’argon liquide, l’étude de la scintillation, la simulation Monte-Carlo, la calibration du détecteur, l’analyse des données (DEAP-1) et la conception et le design du futur détecteur à 1000 kg d’argon. On a projeté plusieurs études R&D pour le futur détecteur. Ce programme englobe l’entreposage de la sphère en acrylique dans un environnement ultra propre, des tests de froid et cryogéniques des photomultiplicateurs, et les techniques de réduction du radon dans les composants les plus délicats du détecteur.

 
CDMS

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Recherche de la matière noire avec des détecteurs cryogéniques

CDMS est conçu pour détecter les très rares interactions des particules massives WIMP qui interagissent seulement par interactions faibles, en utilisant des noyaux atomiques. Ceci résoudra le problème de la matière noire qui date depuis près de 80 ans. Les détecteurs utilisent du germanium (et silicium), cristal simple maintenu à une basse température, donc un WIMP à faible énergie permet une remontée de la température. En plus, un signal d’ionisation est enregistré. La combinaison de ce signal avec une analyse minutieuse de la forme du signal et la fonction temps permettent une discrimination efficace du bruit de fond provenant de la radioactivité de l’environnement.

CDMS fonctionne actuellement avec une cible d’un total de 5 kg à Soudan, un laboratoire souterrain au Minnesota. Jusqu'à présent c’est l’expérience la plus sensible au monde dans cette discipline. Le projet futur pour la prochaine phase, SuperCDMS, est d’augmenter la masse de la cible à 25 kg, afin d’améliorer la performance du détecteur. Le détecteur va être déplacé à SNOLAB pour permettre une meilleure protection contre les radiations cosmiques.

Queen's a récemment rejoint la collaboration CDMS. On a prévu d’installer un cryostat à Queen's afin de tester et de caractériser les nouveaux détecteurs, et de contribuer à l’analyse des données actuelles et à la mise en place des équipements à SNOLAB.


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