Le projet WA105 : un prototype de chambre à projection temporelle à argon liquide diphasique utilisant des détecteurs LEMs

The WA105 project : a prototype of double phase liquid argon time projection chamber using LEMs detectors

• Auteur / Autrice : Philippe Cotte
• Direction : Edoardo Mazzucato
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 17/09/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Alessandra Tonazzo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Edoardo Mazzucato, Alessandra Tonazzo, Anselmo Meregaglia, Ines Gil-Botella, Philippe Schune, Eric Baussan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anselmo Meregaglia, Ines Gil-Botella

Mots clés

Mots clés contrôlés

Expérience DUNE

Chambres à projection temporelle (physique)

Argon liquide

Amplificateurs

Trajectographie

Calorimètres

Oscillations des neutrinos

Mots clés libres

LEM

Physique des neutrinos

DLArTPC

WA105

Dune

LEM

Dune

Neutrino physics

WA105

DLArTPC

Résumé

Le projet WA105/ProtoDUνE-DP est une expérience de prototypage qui a pour objectif de tester la technologie de Chambre à Projection Temporelle à Argon Liquide Diphasique (DLArTPC) à grande échelle dans le but de l'utiliser dans la future expérience de physique des neutrinos DUνE. Prévue fin 2026 aux USA, DUνE vise à déterminer l'ordre des masses des neutrinos ainsi que la violation de CP dans le secteur leptonique. Le travail de cette thèse s'oriente dans un premier temps autour des tests et simulations effectués sur les éléments de détection et d'amplification des détecteurs de WA105. Dans un second temps, la thèse s'oriente autour de l'analyse des traces de muons cosmiques vues par un premier prototype de 4t, opéré en 2017 au CERN. La technologie DLArTPC est une variante de la technologie LArTPC permettant une amplification des électrons extraits de la phase liquide à la phase gazeuse. Les amplificateurs d'électrons (LEMs) sont des plaques de PCB de 50x50cm² épais de 1mm, percés de 400k trous de 500 microns de diamètre, recouvertes de chaque côté par une mince couche de cuivre. Une différence de potentiel de l'ordre de 3kv permet d'atteindre un gain supérieur à 10. Une partie du travail de cette thèse a consisté à simuler la dérive des électrons à travers ces LEMs afin d'étudier les efficacités de collection de charge. Une autre partie de cette thèse a consisté à mesurer les caractéristiques importantes (épaisseur, tenue en tension) des amplificateurs destinés au démonstrateur de 300t de WA105, dont la mise en route a été effectuée fin août 2019 au CERN. Le gain est une des caractéristiques principales d'une DLArTPC, et il a été étudié dans le prototype de 4t grâce à la détection de muons cosmiques. Des comparaisons sont effectuées avec les résultats d'un prototype de 3L datant de 2014, et un programme de reconstruction de trace dédié a été développé pour traiter certains événements bruités. Le travail effectué dans cette thèse a permis de mieux comprendre le fonctionnement des DLArTPCs, notamment en ce qui concerne l'aspect multiplication et dérive des électrons. Ces connaissances seront importantes lors de l'opération du démonstrateur de 300t au CERN, ainsi que lors de l'exploitation du module DLArTPC de DUνE.

The WA105/ProtoDUνE-DP project is a prototyping experiment which goal is to test the Double Phase Liquid Argon Time Projection Chamber (DLArTPC) technology at large scale, to use it in the future neutrinos physics experiment DUνE. Scheduled for the end of 2026 in the USA, DUνE aims at measuring the neutrinos mass ordering and the leptonic CP symetry violation. The first part of this thesis is dedicated to tests and simulations of the detection and amplification elements of the WA105 detectors. The second part is focused on the analysis of cosmic muon tracks seen by a first prototype of 4t, operated at CERN in 2017. The DLArTPC technology is a variation of the LArTPC technology allowing for the amplification of the electrons extracted from the liquid phase to the gas phase. The Large Electron Amplifiers (LEMs) are 50x50cm² PCB plates with a thickness of 1mm, pierced by 400k holes of 500 microns diameter, covered on each side by a thin layer of copper giving a gain superior to 10. Part of this thesis work is about the simulation of electrons drifting through those LEMs to study the charge collection efficiencies. Another part of this thesis is about the measurement of important caracteristics (thickness, voltage stability) of the LEMs that are used in the 300t demonstrator of WA105, which commissionning was done in the end of August 2019. The gain is one of the main caracteristics of a DLArTPC, and it has been studied in the 4t prototype by detecting cosmic muons. Comparisons are done with previous results from 2014 from a smaller prototype of 3L, and a dedicated reconstruction program was created to analyse noisy events. The work done in the thesis allowed for a better understanding of DALrTPCs, mainly on the multiplication and drift of electrons. This knowledge will be important during the operation of the 300t demonstrator at CERN, and during the operationg of the DLArTPC module of DUνE.