Feasibility study of a new generaion neurino detectors in the context of the LBNO experiment

• Auteur / Autrice : Luca Agostino
• Direction : Thomas Patzak
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules (Champs, particules, maières)
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Violation de la règle CP (physique nucléaire)

Neutrinos -- Masse

Oscillations

Particules (physique)

Propagation de faisceau, Méthode de

Neutrinos

Argon

Résumé

Les futures expériences de détection de neutrinos vont essayer de répondre à plusieurs questions ouvertes : la détermination de la hiérarchie des masses ainsi que la découverte de la violation de la symétrie CP dans le secteur léptonique des particules élémentaires. Dans ce contexte le projet LAGUNA-LBNO propose un solide programme de physique basé sur l'emploi d'un détecteur à Argon liquide double phase (GLACIER) installé dans la mine de Pyhasalmi en Finlande à 2300 km du CERN où un faisceau de neutrinos sera produit. Dans cette thse une étude détaillée du potentiel physique des deux premiers choix du projet est présentée : le déjà cité Liquid Argon installé à Pyhasalmi et un détecteur Cherenkov à eau (MEMPHYS) installé sous la montagne du Fréjus à 130 km de distance du CERN. Une comparaison du potentiel de détermination de la hiérarchie de masse des neutrinos ainsi que de la découverte de la violation de CP et la mesure de la phase δ constituent le coeur de ce travail. L'exploitation d'un petit prototype du détecteur MEMPHYS est aussi présentée. Cette thèse justifie le choix du détecteur à Argon liquide pour sa majeure sensibilité et versatilité. Des expériences complémentaires sont aussi bien envisagées : la synergie avec un autre faisceau (de Protvino en Russie) et une étude d'une "Baseline" plus courte (Garpenberg - Pyhasalmi).

The LAGUNA/LBNO consortium proposes a next generation neutrino observatory to address fundamental questions in particle and astroparticle physics [89]. The first option of the Design Study consists of a far detector, in its first stage a 20 kt LAr double phase TPC and a magnetised iron calorimeter, situated at 2300 km from CERN inside the Pyhasalmi mine and a near detector based on a high-pressure argon gas TPC. The very long baseline allows a precise neutrino spectrum shape determination over the lst and 2nd oscillation maxima and will therefore allow the exploration of the L/E behavior, distinguishing the e-ects arising from !cP and the neutrino propagation in matter clarifying the ordering of the masses of neutrinos and measuring the CP phase. In parallel, it will allow to investigate a broad astrophysics program including Supernovae neutrino detection and proton decay. The second option of the LAGUNA/LBNO Design Study is a Megaton scale Water Cherenkov detector (MEMPHYS) installed under the Frejus mountain (130 km from CERN) with the aim to determine the CP violation in the leptonic sector and to study astrophysical sources of neutrinos as well as atmospheric neutrinos and proton decay. In both cases a dedicated neutrino beam from CERN is assumed. This PhD work is a detailed study for the evaluation of the physics potential of both options putting in evidence the advantages and the differences of the two technologies. This thesis will detail the reasons of the choice of a Giant double phase Liquid Argon detector at a very long baseline taking into account also the latest improvements in the knowledge of the neutrino oscillation parameters from current experiments and considering future beam layouts and complementary baselines. It will be proven that LBNO can guarantee the Mass Hierarchy determination within the first years of run and a 5 sigma coverage of most of the phase space in about 10 years of run.