Recherche de neutrino stérile par l'expérience STEREO : optimisation du blindage et calibration de l'échelle d'énergie

Search for a sterile neutrino with the STEREO experiment : shielding optimisation and energy calibration

• Auteur / Autrice : Felix Kandzia
• Direction : François Montanet, Torsten Soldner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique subatomique et astroparticules
• Date : Soutenance le 11/12/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Max von Laue-Paul Langevin (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Elsa Merle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Kouchner, Muriel Fallot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : José Busto, Lothar Oberauer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Blindage (rayonnements)

Oscillations des neutrinos

Mots clés libres

Expérience STEREO

Neutrino stérile

Oscillations des neutrinos

Anomalie des antineutrinos de réacteur

STEREO experiment

Sterile neutrino

Neutrino oscillation

Reactor antineutrino anomaly

Résumé

La recherche de neutrinos stériles et légers est, à l’heure actuelle, l’un des enjeux majeurs de laphysique des neutrinos. Une indication de leur existence résulte de l’anomalie des antineutrinosde réacteur, qui découle du déficit de 6% entre les taux prédits et les taux observéspar les expériences à courte distance de réacteurs. Ce déficit peut être interprété comme uneoscillation à courte distance des neutrinos. L’objectif de l’expérience STEREO, situé auprès duréacteur de recherche de l’Institut Laue Langevin (ILL), à Grenoble, France, est d’étudier cetteoscillation. La cible du détecteur de neutrinos est placée entre 8,9 et 11,1m du coeur compactdu réacteur d’ILL. Le détecteur consiste d’environ 2t d’un scintillateur liquide, dopé avec duGd. Le volume actif est séparé dans le sens de la longueur en six cellules. Les antineutrinos sontdétectés par la désintégration bêta inverse, où ils interagissent avec un proton libre (ion H+) etproduisent un positron et un neutron. Les deux particules sont détectées dans le scintillateurpar une coïncidence retardée où le positron crée un signal prompt et le neutron est capturéaprès un temps de modération. La lumière produite par le scintillateur est mesurée par lesphotomultiplicateurs (PM). Le détecteur est complété par un“gamma catcher” qui entoure la cible et par un veto à muons.Ce manuscrit présente des études concernant la préparation et la mise en exploitation del’expérience STEREO. La conception du blindage magnétique des PM a été menée sur la basede simulations par éléments finis afin d’examiner différentes options, d’étudier en détail lesperformances de l’option retenue ainsi que de déterminer la qualité nécessaire des matériauxutilisés. Sur la base de ces études, la collaboration a retenu un plan de blindage en deuxcouches: une couche de fer doux à l’extérieur, couvrant le détecteur et le veto à muons, et unecouche de mu-métal autour de la cible. Ce blindage réduit les champs magnétiques externes à laposition des PM de la cible à moins de 60μT pour toutes les configurations connues de champsexternes. Ceci réduit à moins de 2% une variation de l’amplification des PM induite par deschangements des champs magnétiques.D’autre part, des études du bruit de fond sur le site de STEREO ont été menées. Unecartographie du bruit de fond du rayonnement gamma a été effectuée avec des détecteurs augermanium et un scintillateur NaI, afin de valider l’efficacité du blindage installé. Uneestimation du taux de bruit de fond est présentée et comparée au taux mesuré avec STEREO.Dans l’état actuel de l’analyse des données, le bruit de fond de coïncidences fortuites est inférieurau bruit de fond corrélé induit par les muons cosmiques. Après une première phase d’exploitationde STEREO, un “doigt de gant” en fin de vie situé à l’avant de STEREO a dû être retiré.Un bouchon était adapté à l’extrémité de ce doigt de gant afin de réduire le bruit du fondpour STEREO. Ce dispositif n’ayant pas pu être réinstallé à la suite l’enlèvement du doigt degant, un nouveau blindage a été proposé par l’ILL. Une série des simulations neutroniques etphotoniques (MCNP) a été effectué pour étudier l’effet de ce changement sur le bruit de fondautour de STEREO et pour décider si le blindage proposé était suffisant. Les deux scénariosavant et après l’enlèvement ont été comparés et selon cette simulation, la situation du bruit defond devrait être améliorée.Enfin une procédure a été proposée et appliquée pour analyser les données de calibration del’échelle d’énergie de STEREO. La procédure a été élaborée pour être applicable pour toutes lessources de calibration disponibles et pour minimiser les incertitudes systématiques. Le résultatpeut être utilisé pour ajuster les paramètres de la simulation Geant4 du détecteur développée parla collaboration, par comparaison avec des données mesurées et après pour déterminer l’échellede l’énergie avec la précision requise de < 2%.

Light sterile neutrinos are currently a topic actively discussed in neutrino physics. Oneindication of their possible existence and their participation in neutrino oscillations is the ReactorAntineutrino Anomaly, which states a deficit of about 6% between predicted and observedantineutrino fluxes in short baseline reactor neutrino experiments. The STEREO experimentaddresses this anomaly by searching for neutrino oscillations at baselines of 8.9-11.1m from thecompact core of the research reactor of the Institut Laue Langevin (ILL), Grenoble, France. Forthis purpose a Gd-loaded liquid scintillator detector was designed with an active target massof about 2 t. The target volume is subdivided in six optically separated cells along the line ofpropagation of the neutrinos. The electron antineutrinos emitted from the reactor are detectedvia the inverse beta decay on hydrogen nuclei, where a positron and a neutron are created. Thesetwo particles are detected in the scintillator in delayed coincidence, with the prompt signal fromthe positron and a delayed signal from neutron capture. The scintillation light created in theprocesses is read out by photomultiplier tubes (PMTs) on top of the detector cells. The detectoris completed by a gamma catcher and a muon veto.This manuscript covers parts of the preparation and the commissioning of the STEREOexperiment. As basis for the design process of the magnetic shielding for STEREO’s PMTsa series of finite element simulations was performed. The studies of different general layoutsand required material qualities as well as of details of the final design are summarised. Underconsideration of these studies the collaboration opted for a shielding design, a double layer setupwith an outer soft iron and inner mumetal layer, which has the required shielding efficiency toreduce the magnetic field at the position of the detector PMTs below 60 μT for all known externalmagnetic field configurations. This limits the maximum PMT gain change due to variations ofthe external magnetic fields to < 2%.Furthermore different studies have been performed concerning the on-site background situation.A mapping of the-ray background was conducted with high purity germanium detectorsand a NaI scintillator detector, in order to validate the efficiency of the installed shielding. Thefocus lied on the characterisation of the count rate in the neutron capture energy window. Anestimation of the background rate is presented and compared to the rate obtained in STEREO.At the current state of the analysis the background of accidental coincidences in STEREO is aminor contribution compared to the muon induced correlated background. In addition a seriesof MCNP simulations was performed to determine the impact of a beamtube removal in thevicinity of STEREO on the overall reactor-related background situation. The beamtube wasclosed by a dedicated shielding, optimised for background reduction for STEREO, which couldnot be reinstalled after removal of the tube. A new shielding at the end of the former beamtubewas proposed by the ILL. Its shielding effect was studied with MCNP and compared tothe previous configuration in order to assess whether the new shielding suffices or needs to beimproved. According to these simulations the background situation is expected to improve.Finally a procedure is proposed and applied for the analysis of the energy calibration ofthe STEREO detector. The procedure is designed to be applicable to all available calibrationsources and to minimise systematic uncertainties. It can be used to adjust parameters in theexisting Geant4-based simulation of the detector, developed by the collaboration, by comparisonto measured data and later to determine the energy scale with the required precision of < 2%.