Recherche d'un neutrino stérile avec l'expérience STEREO : détermination des spectres neutrinos et caractérisation du bruit de fond

A search of a sterile neutrino with the STEREO experiment : extraction of the neutrino spectra and caracterization of the background

• Auteur / Autrice : Laura Bernard
• Direction : Jean Sébastien Real
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique subatomique et astroparticules
• Date : Soutenance le 04/10/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble, Isère, France ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Éric Liatard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Kouchner, Laurent Simard, Jaime Dawson, Dominique Duchesneau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antoine Kouchner, Laurent Simard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neutrinos

Détecteurs de rayonnement

Mots clés libres

Neutrino

Réacteur de l'ILL

Anomalie réacteur

Stérile

Neutrino

ILL reactor

Reactor anomaly

Sterile

Résumé

L’anomalie des antineutrinos de réacteurs (RAA) a été mise en évidence en 2011 suiteà la réévaluation des flux prédits. Le déficit de 6% dans les taux mesurés auprès de réacteurs peutêtre expliqué soit par un biais dans la prédiction, soit par l’introduction d’un neutrino stérile àl’eV2 qui se manifesterait seulement par le mécanisme d’oscillation. Afin d’explorer l’espace desparamètres d’oscillation favorisés par la RAA tout en s’affranchissant de la prédiction, l’expérienceStereo compare les spectres en énergie des ¯ve détectés à différentes longueurs de propagationgrâce à une cible segmentée en six cellules située à [9-11] m du cœur hautement enrichi en 235Ude l’ILL, à Grenoble. La détection est effectuée sur les protons libres d’un scintillateur liquide pardésintégration β inverse (IBD). Le but de cette expérience de surface étant la mesure des spectresen énergie des ¯ve au pourcent près, les deux enjeux de Stereo sont la maîtrise de l’échelle enénergie et des bruits de fond environnant. Cette thèse propose en premier lieu une optimisationdes coupures utilisées pour la sélection du signal ¯ve. La deuxième partie est dédiée à l’estimationdu bruit d’origine cosmique lors des périodes d’arrêt du réacteur, permettant la soustraction decelui-ci aux périodes de marche. Sa composante dominante est constituée de neutrons rapides quipeuvent être discriminés par l’observable clé de PSD (discrimination par forme d’impulsion), dontl’étalonnage est essentiel. La PSD représente le point central de la méthode originale d’extractiondes spectres en énergie des ¯ve, qui constitue le travail majeur de cette thèse. La dernière partieprésente deux interprétations statistiques des spectres ¯ve obtenus. L’analyse d’oscillation indiqueque le meilleur ajustement de la RAA est rejeté avec un niveau de confiance de 99%. Parallèlement,un premier – et préliminaire – spectre en énergie des ¯ve provenant des fissions de l’235U est présenté.Il montre une tension à haute énergie avec la prédiction et ne révèle pas de signe de l’excès à 5 MeV.

The reactor antineutrino anomaly (RAA) was revealed in 2011 following the reevaluationof the predicted flux. The 6% deficit in the measured rate near nuclear reactors can beexplained either by a bias in the prediction, or the introduction of a sterile neutrino at the eV massscale, participating in the mixing with the other neutrinos. In order to probe the existence of such aneutrino, and in order to be independant from the prediction, the Stereo experiment compares the¯ve energy spectra detected at di↵erent propagation lengths thanks to a segmented target located at[9-11] m from the highly enriched 235U reactor core of the ILL, Grenoble, France. The detection usesan inverse β decay (IBD) on the protons of a liquid scintillator. The light yield allows for a goodenergy resolution, which is important for the measurement of the ¯ve spectra at the percent level. Inorder to limit the impact of an uncertainty on the energy scale, this thesis describes an optimizationof the cuts used for the ¯ve selection. One of the major challenge of this surface experiment isthe control of the cosmic background, the latter being estimated from the reactor-OFF periodsand subtracted from the reactor-ON periods. As described in this thesis, it mostly generates fastneutrons, and it can be strongly reduced by the key observable of PSD (pulse shape discrimination).The calibration of the PSD is essential for the good subtraction of the background and is the centralpoint of the creative ¯ve spectra extraction method that is described in this thesis. The spectra areused to perform the oscillation analysis : the best fit of the RAA is rejected at 99% C.L. Also, apreliminary first pure 235U ¯ve spectra is presented, revealing tensions with the prediction at highenergies and no sign of the 5 MeV bump.