Recherche d'un neutrino stérile avec l'expérience STEREO : développement de l'électronique et identification des neutrinos

Search for a sterile neutrino with the STEREO experiment : electronics development and neutrino identification

• Auteur / Autrice : Thomas Salagnac
• Direction : Jacob Lamblin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique subatomique et astroparticules
• Date : Soutenance le 16/10/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Johann Collot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Lasserre, Frédéric Yermia
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paschal Coyle, Fabrice Piquemal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mesures physiques

Oscillations des neutrinos

Systèmes électroniques

Comptage à scintillateur liquide

Mots clés libres

Neutrino

Stérile

STEREO

Electronique

Linéarité

Oscillation

Neutrino

Sterile

STEREO

Electronics

Linearite

Oscillation

Résumé

Depuis 2011, la réévaluation de plus d’une vingtaine de mesures de flux de neutrinos de réacteur mesurés à courtes distances suggère la présence d’un déficit de 7 % par rapport aux prédictions. Cette anomalie est statistiquement significative à environ 3 sigmas, tout comme une autre anomalie similaire correspondant à l’observation d’un déficit de neutrinos émis par des sources intenses de désintégrations beta. Ces anomalies peuvent être expliquées soit par un biais dans la prédiction des flux de neutrinos, soit par l’existence d’un nouvel état de neutrino, un neutrino stérile léger, vers lequel les trois neutrinos du modèle standard pourraient osciller. Ce nouveau neutrino, n’interagissant pas par interaction faible, serait uniquement « visible » grâce à ces oscillations. L’objectif de l’expérience STEREO est de répondre à la question de l’existence d'un neutrino stérile avec une masse de l’ordre de 1 eV, en utilisant le flux de neutrinos émis par le réacteur de recherche de l’« Institut Laue-Langevin » (ILL) à Grenoble, en France. Pour cela, le détecteur STEREO est segmenté en 6 cellules afin de mesurer l’hypothétique distorsion du spectre en énergie des neutrinos en fonction de la distance au réacteur (entre 9 et 11m de distance). Après quelques années de construction du détecteur et de préparation, l’expérience STEREO a pu commencer la prise de données en novembre 2016 avec une premier période d’acquisition qui s’est terminée en mars 2017. Cette thèse s’inscrit dans ces deux périodes distinctes de l’expérience STEREO. Une première partie a été consacrée à la caractérisation et la validation de l’électronique tout au long du processus de développement jusqu’à sa conception finale. Dans ce cadre, une méthode de mesure de la linéarité de la réponse en charge des photomultiplicateurs et de leurs embases a été développée avec une précision meilleure que 1 %, pour répondre au exigence de sensibilité à l’hypothèse d’un neutrino stérile. Cette exigence a d'ailleurs été validée par une analyse statistique de l’expérience. Une deuxième partie de la thèse a concerné l’analyse des premières données et plus particulièrement, l’identification des différents types de bruit de fond et la recherche des candidats neutrinos.

Since 2011, the re-evaluation of about twenty neutrino flux measurements at short distance from reactors suggests a deficit of about 7 % with respect to predictions. This anomaly has a 3 sigmas significance, as another similar anomaly which corresponds to the deficit of neutrinos emitted from intense source of beta-decay. These anomalies could be explain either by a bias in the flux prediction or by the existence of a new neutrino state, a light sterile neutrino, possibly mixing with the three neutrino states of the standard model. This new neutrino, with no ordinary weak interaction, could only be “visible” via the neutrino oscillation. The STEREO experiment goal is to answer the question of the sterile neutrino existence with mass around 1 eV, using neutrino flux emitted from the research reactor of the « Institut Laue-Langevin » (ILL) at Grenoble, France. To achieve this, the STEREO detector is segmented in 6 cells to measure a hypothetical distortion of the neutrino energy spectrum at different distances from the reactor (between 9 et 11m). Afters few years of detector construction and preparation, the STEREO experiment has started taking data in November 2016 with a first period over in Mars 2017. This thesis took place during two distinct phases of the STEREO experiment. A first part was dedicated to the characterisation and the validation of the electronics, during all its development process until its final conception. In this context, a method to measure the charge response linearity of photomultipliers and their bases, with a precision better than 1 %, has been developed, in order to fulfill the desired sensitivity to the light sterile neutrino hypothesis. This requirement on the precision has been validated by a statistical analysis of the experiment. The second part of the thesis was devoted to the analysis of the first data and more particularly to the identification of the different kinds of background and to the search of neutrino candidates.