Neutrino oscillations et tomographie terrestre avec KM3NeT-ORCA

Neutrino oscillations and earth tomography with KM3NeT-ORCA

• Auteur / Autrice : Simon Bourret
• Direction : Véronique Van Elewyck, Édouard Kaminski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Physique des particules
• Date : Soutenance le 30/11/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Alessandra Tonazzo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Van Elewyck, Édouard Kaminski, Alessandra Tonazzo, Fabrice Piquemal, Walter Winter, Adriaan Jacob Heijboer, Justin Evans
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Piquemal, Walter Winter

Mots clés

Mots clés contrôlés

Terre -- Structure interne

Matière

Neutrinos -- Masse

Čerenkov, Détecteurs de

Neutrinos

Théorie quantique

Oscillations des neutrinos

Oscillations

Mots clés libres

Oscillations de saveur

Neutrino atmosphérique

Matière

Terre

Masse

Hiérarchie de masse des neutrinos

Oscillations Flavour

Neutrino atmospheric

Matter

Earth

Mass

Neutrino mass hierarchy

Résumé

Les oscillations de saveur des neutrinos, découvertes au tournant du 21ème siècle, constituent à ce jour le signe le plus direct de physique au-delà du Modèle Standard. La collaboration KM3NeT a commencé la construction d'un détecteur à effet Tcherenkov de neutrinos au fond de la mer Méditerranée: ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss). Le but principal d'ORCA sera la détermination de la hiérarchie de masse des neutrinos, un paramètre fondamental, encore inconnu, du modèle théorique des oscillations de neutrinos. Le principe de la mesure est la détection d'un large échantillon de neutrinos atmosphériques ayant traversé la Terre, et l'analyse de leurs oscillations de saveur. Ces oscillations sont modifiées et augmentées par les effets de matière, dus à la présence d'une densité d'électrons le long de la trajectoire des neutrinos. Au-delà de la hiérarchie de masse et de la mesure des paramètres d'oscillation atmosphériques, ORCA sera alors capable de mesurer la densité en électrons et donc, en principe, de fournir des informations nouvelles sur la composition chimique des couches profondes de la Terre. Cette thèse présente une nouvelle étude, menée au sein de la collaboration KM3NeT, de la sensibilité d'ORCA à la détermination de la hiérarchie de masse des neutrinos, aux paramètres d'oscillations atmosphériques, et à la densité en électrons dans le noyau externe et le manteau inférieur de la Terre. La thèse se concentre sur le développement d'une nouvelle méthode d'analyse dont le but est de rendre compte de la réponse du détecteur de la manière la plus précise possible. Pour cela, la méthode est basée sur l'utilisation de matrices de réponses corrélées et construites à partir de simulations Monte Carlo. Les méthodes statistiques et sources d'incertitude systématique sont aussi étudiées en détail. La méthode développée permet une première exploration de nouvelles stratégies d'analyse optimisées. Les études de sensibilité montrent qu'ORCA atteindra une sensibilité médiane à la hiérarchie de masse d'au moins 3 sigma après quelques années d'opération, le résultat dépendant en grande partie de la valeur réelle de la hiérarchie de masse et des autres paramètres d'oscillation encore inconnus. Une performance compétitive pour la mesure des paramètres d'oscillation atmosphériques est aussi attendue. Dans le cas où la hiérarchie de masse est normale et après 10 ans de prise de données, la densité en électrons pourra être mesurée avec une précision d'environ 5% dans le manteau inférieur, et 7% dans le noyau externe.

Neutrino flavour oscillations, discovered at the turn of the 21st century, currently provide the most direct window on physics beyond the Standard Model. The KM3NeT collaboration has started the construction of a megaton-scale Cherenkov neutrino detector deep underwater in the Mediterranean: ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss). ORCA's main goal will be the determination of the neutrino mass hierarchy, a major unknown in the current understanding of neutrino oscillations, via the detection of large samples of atmospheric neutrinos crossing the Earth and the analysis of their flavour oscillations. These oscillations are enhanced by matter effects, sensitive to the electron density along the neutrino paths. Beyond the neutrino mass hierarchy and the measurement of atmospheric oscillation parameters, this will allow ORCA to measure the electron density of the deep Earth, and possibly provide constraints on the chemical composition of its innermost layers. This thesis presents a new study, undertaken within the KM3NeT collaboration, of the sensitivity of ORCA to the determination of the neutrino mass hierarchy, oscillation parameters, and the electron density in the outer core and lower mantle of the Earth. The focus is given to the development of a new analysis methodology intended to account for detector effects as precisely as possible by the use of a Monte Carlo based correlated model of detector response. Statistical methods and systematic uncertainties are also addressed in some detail. The methodology allows for a preliminary exploration of the potential of improved analysis strategies. Sensitivity studies show that ORCA is expected to achieve a median sensitivity to the NMH determination at the level of 3 sigma or better after a few years of operation, depending on the true hierarchy and true value of the oscillation parameters. Competitive performance for the measurement of atmospheric oscillation parameters is also expected. Assuming a normal mass hierarchy, the electron density can be measured with a precision of about 5% in the lower mantle, and 7% in the outer core.