Charge readout analysis in Liquid Argon Time Projection Chambers for neutrino and astro-particle physics

par Davide Caiulo

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Dario Autiero.

Soutenue le 21-04-2017

à Lyon , dans le cadre de École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Institut de physique nucléaire (Villeurbanne, Rhône) (laboratoire) .

Le président du jury était Patrick Nédélec.

Le jury était composé de Bernadette Farizon-Mazuy, Henri Pessard.

Les rapporteurs étaient Cécile Jollet, Takuya Hasegawa.

  • Titre traduit

    Analyse de la lecture de charge pour les Chambres à Projection Temporelle à Argon Liquide pour la physique du neutrino et astroparticules


  • Résumé

    Un point crucial pour l'avenir de la Physique de Particules est représenté par la mesure de la masse et des paramètres qui gouvernent l'oscillation du neutrino, qui représentent la preuve de Physique au-delà du Model Standard. Depuis 2011, la valeur élevée de l'angle de mélange θ13 a ouvert la voie à l'étude sur la violation de symétrie CP dans le secteur de neutrinos. La nouvelle d'expérience DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) a un potentiel sans précédent pour effectuer une mesure très précise des paramètres d'oscillation de neutrinos. Les grands détecteurs souterrains nécessaires pour ces mesures sont également un milieu idéal pour la recherche sur la désintégration du proton et sur la détection de neutrinos provenant des supernovæ.Les détecteurs utilisés pour ces expériences sont des Chambres à Projection Temporelle (TPC) dont la cible, très massive, est constituée d'Argon liquide. Ce type de détecteur fournit une très bonne résolution de l'image reconstruite, une excellente résolution en énergie et la possibilité d'identifier les particules. Les interactions de neutrino produisent des particules secondaires qui ionisent l'Argon liquide. Les électrons produits par ionisation dérivent sur de longues distances, sous l'effet d'un champ électrique uniforme, jusqu'à rejoindre l‘anode, équipé pour la détection de la charge. Un signal électrique est alors produit et est utilisé pour la reconstruction 3D de l'interaction primaire. La TPC en double phase liquide-gaz permet l'amplification du signal d'ionisation par des avalanches qui se produisent dans la phase gazeuse, au-dessus du niveau de l'Argon liquide. Cette technique améliore les performances de TPC en augmentant son rapport signal-bruit.Le sujet de cette thèse est la reconstruction et l'analyse de la charge de ionisation dans une TPC à Argon liquide : la mesure de la charge déposée par ionisation fournit des informations sur l'énergie cinétique des particules chargées secondaires produites lors de l'interaction de neutrino. De cette manière, il est possible de reconstruire l'énergie du neutrino entrant, de reconnaître et d'exclure les gerbes électromagnétiques produites par la désintégration du π0, puis d'effectuer l'indentification des particules à partir de la mesure des pertes d'énergie par ionisation.La mesure de l'ionisation implique une connaissance approfondie de la réponse du détecteur et de l'algorithme de reconstruction. Afin d'atteindre cette connaissance nous avons effectué une analyse détaillée des pertes d'énergie simulée en étudiant les divergences entre les connaissances théoriques et la simulation. Ensuite, la simulation de la réponse du détecteur a été étudiée, en examinant les effets qui se produisent au cours de la dérive des charges et les effets liés à la réponse de l'instrumentation électronique. Ces effets systématiques qui affectent l'exactitude de l'algorithme de reconstruction sont alors caractérisés par rapport à la génération de Monte-Carlo.Par la suite, nous montrons comment il est possible d'effectuer la rejection du π0 en étudiant les pertes d'énergie. En mesurant les pertes par ionisation au début d'une gerbe électromagnétique, il est possible de comprendre si elle a été produite par un électron ou par un photon. Cela permet d'exclure le bruit dans la détection des produits d'interaction du neutrino électronique fondamental pour la recherche de la violation de CP.Par l'échantillonnage de la trajectoire d'une particule chargée et en mesurant ses pertes d'énergie, il est possible d'identifier sa nature. Une TPC à Argon liquide est également un milieu idéal pour la recherche de la désintégration du proton, en particulier en regardant certaines chaînes de désintégration exclusives, comme p  K + ν. Dans cette thèse, nous montrons ainsi comment il est possible d'identifier des particules à partir de la mesure des pertes d'énergie, et plus abordons plus précisément l'identification des kaons chargés


  • Résumé

    This is an important period for High Energy Physics: many recent results, including the Higgs discovery and its characterization, confirm the Standard Model. A crucial point for the future of Particle Physics is the study of neutrino masses and mixing representing the first established evidence of physics beyond the SM. Since 2011, the large value of the ?13 mixing angle opened the way to the investigation of CP violation in the neutrino sector. A next generation long baseline neutrino experiment (DUNE) has unprecedented potential to precisely measure the neutrino oscillation parameters, determine the neutrino mass hierarchy and has a very good chance to discover evidence for CP violation in the leptonic sector. The large underground neutrino detectors needed for this task will also address the search for proton decay and the observation of supernovae neutrinos. Giant Liquid Argon Time Projection Chambers (LAr TPCs) will be employed as neutrino targets and detectors. They provide bubble-chamber quality imaging coupled to excellent energy resolution and particles identification capabilities. Neutrino interactions produce secondary particles, which ionize the liquid argon. The ionization electrons drift for long distances along a uniform electric field until they reach finely segmented and instrumented anodes, producing electrical signals that are used for 3D imaging and analysis of the primary interactions. The dual-phase readout technique foresees the amplification of the ionization signal in avalanches occurring in the gas phase above the liquid argon level. This technique further enhances the performance of the LAr TPC by increasing its signal to noise ratio. The subject of thesis is the ionization charge reconstruction and analysis in the dual-phase LAr TPC: the ionization charges measurement provides information about the kinetic energy of secondary charged particles produced in neutrino interactions. In this way, it is possible to reconstruct the incoming neutrino energy, identify and reject electromagnetic shower generated by photons from pi0 decay and perform particles identification from the measurement of the specific ionization losses.The measurement of the ionization implies a detailed knowledge of the detector response and of the reconstruction algorithm. In order to achieve this knowledge a detailed analysis of the simulated energy losses has been performed by studying the differences between the theoretical knowledge and the simulation


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