De la mesure de l'angle de mélange theta θ₁₃ à la recherche de geo-neutrinos : études des antineutrinos électroniques avec Double Chooz et Borexino

From the measurement of the θ₁₃ mixing angle to the search for geo-neutrinos : studying electron antineutrinos with Double Chooz and Borexino

• Auteur / Autrice : Romain Roncin
• Direction : Alessandra Tonazzo, Francesco Villante
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : [Champs, particules, matières]
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Paris 7 en cotutelle avec Universita degli studi dell'Aquila

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antineutrinos

Particules (physique)

Neutrinos -- Interactions

Oscillations

Neutrinos solaires

Centrale de Chooz

Mots clés libres

Double Chooz

Angle de mélange θ₁₃

Geo-neutrinos

Résumé

Double Chooz est une expérience d'oscillation de neutrinos de réacteur qui a pour but de mesurer l'angle de mélange θ₁₃ grâce à deux détecteurs identiques situés à différentes distances des deux réacteurs de la centrale nucléaire de Chooz, dans les Ardennes françaises. Tandis que le détecteur proche commencera à prendre des données à l'automne 2014 afin de normaliser le flux des neutrinos émis par les réacteurs nucléaires, le détecteur lointain fonctionne depuis avril 2011 et permet d'observer la disparition des neutrinos à travers le phénomène d'oscillation de neutrinos. Cette thèse est également consacrée à l'expérience Borexino qui a été conçue afin d'observer les neutrinos solaires. Du fait d'un très faible bruit de fond ainsi que de son emplacement dans un pays sans réacteur nucléaire, l'Italie, Borexino est également sensible aux geo-neutrinos. Cette thèse présente à la fois les expériences Double Chooz et Borexino, de la description des détecteurs jusqu'aux principaux résultats, avec une attention particulière portée au bruit de fond et à sa rejection. Des études sur la directionalité des neutrinos avec ces deux expériences sont aussi détaillées. Pour Double Chooz, puisque les neutrinos proviennent des réacteurs nucléaires, la précision de la méthode d'analyse peut être évaluée. Cette thèse présente également pour la première fois la possibilité de retrouver la direction initiale des neutrinos quand les neutrons créés dans les réactions inverses de désintégration beta sont capturés sur l'hydrogène. Pour Borexino, l'information sur la directionalité des neutrinos pourrait faciliter la discrimination entre geo-neutrinos et neutrinos de réacteurs nucléaires.

Double Chooz is a reactor neutrino oscillation experiment which aims at measuring the θ₁₃ mixing angle thanks to two identical detectors located at different distances from the two reactors of the Chooz nuclear power plant, in the French Ardennes. While the near detector will start taking data in fall 2014 to normalize the flux of the neutrinos emitted by the nuclear reactors, the far detector is running since April 2011 and allows to observe the neutrinos disappearance through the neutrino oscillation phenomenon. This thesis is also dedicated to the Borexino experiment which was designed to observe solar neutrinos. Due to its low background level as well as its position in a nuclear free country, Italy, Borexino is also sensitive to geo-neutrinos. This thesis presents both the Double Chooz and Borexino experiments, from the description of the detectors to the main results, with a special attention to the background and its rejection. Studies on the neutrino directionality with these two experiments are also detailed. In the case of Double Chooz, since the neutrinos are coming from the two nuclear reactors, the precision of the analysis method can be assessed. This thesis presents also for the first time the possibility to retrieve the initial direction of the neutrinos when the neutrons created in the inverse beta decay reactions are captured on hydrogen. In the case of Borexino, neutrino directionality information could facilitate the discrimination between geo-neutrinos and neutrinos from nuclear reactors.