Double calorimétrie pour la mesure de l'oscillation des neutrinos de haute précision dans l'expérience JUNO

Dual Calorimetry for High Precision Neutrino Oscillation Measurement at JUNO Experiment

• Auteur / Autrice : Yang Han
• Direction : Antoine Kouchner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'Univers. Physique des particules
• Date : Soutenance le 30/11/2020
• Etablissement(s) : Université 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 : Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Hélène Schune
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alessandra Tonazzo, Marco Grassi, Hiroshi‏ Nunokawa, Anatael Cabrera
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Sarazin, Stefano Dusini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calorimétrie

Étalonnage

Scintillateurs liquides

Neutrinos -- Masse

Oscillations des neutrinos

Mots clés libres

Ordre de mass des neutrinos

JUNO

Non-linéarité de charge

Double calorimétrie

Electronique de lecture

Neutrino mass ordering

JUNO

Charge non-linearity

Dual Calorimetry

Readout electronics

Résumé

Depuis la découverte de la particule postulée par Pauli, le neutrino, dans les années 1950, les connaissances accumulées sur les neutrinos ont approfondi notre compréhension de l’univers. Le phénomène de l’oscillation des neutrinos est une des découvertes les plus remarquables dans les dernières décennies. Il a révélé et continue de élucider les propriétés fondamentales des neutrinos. À ce jour, la physique de l’oscillation des neutrinos est entrée dans une ère de haute précision. JUNO est une expérience de neutrinos de nouvelle génération basée sur le plus grand détecteur de scintillateur liquide au monde, visant principalement à mesurer l’oscillation des neutrinos de réacteur à haute précision. Ses perspectives principales scientifiques incluent la détermination de l’ordre de masse des neutrinos (MO) et la mesure de la moitié de tous les paramètres d’oscillation (θ₁₂ ∆m₂₁ et ∆m² ₃₂) avec une haute précision sans précédent. En tant que détecteur de scintillateur liquide de pointe, JUNO contribuera également à l’exploration des neutrinos de supernova, des neutrinos solaires, des géo-neutrinos, de la désintégration du proton, etc.En ce qui concerne les objectifs principales de JUNO, le point le plus critique et le plus difficile est le contrôle de l’énergie, y compris l’exactitude et la précision, afin d’obtenir les mesures d’oscillation des neutrinos les plus précises. L’objectif du contrôle de l’énergie dans le JUNO détecteur est d’avoir une ∼3% résolution d’énergie à 1 MeV et les erreurs systématiques de détection d’énergie inférieures à 1%. Motivé par le contrôle de l’énergie exigeant, un nouveaux concept, appelée Double Calorimétrie, est réalisé pour la première fois à JUNO en introduisant un deuxième système de lecture (SPMT) en plus du système de lecture principale (LPMT). Ce concept apporte des perspicacités uniques pour le contrôle des erreurs systématiques grâce à la décomposition de la dégénérescence des différentes compositions de détecteur réponse, y compris les non-linéarités et la non-uniformité.Cette thèse est consacrée au développement, pour la première fois, de la nouvelle technique d’étalonnage des détecteurs avec la Double Calorimétrie pour le contrôle de l’énergie concernant l’exactitude et la précision. La méthodologie de la nouvelle technique d’étalonnage, ainsi que ses performances prospectives seront présentées dans cette thèse. Pour la validation du matériel critique de la Double Calorimétrie, les performances de l’électronique de lecture de SPMT sont préalablement testées et validées dans cette thèse. La technique de la Double Calorimétrie développée dans cette thèse assurera les conditions de la détermination de MO intrinsèque (∼3σ) de JUNO et de la mesure des paramètres d’oscillation inférieur à 1%. En dehors de l’étude de MO intrinsèque de JUNO, une étude de MO synergie entre JUNO et des expériences de faisceaux de neutrinos à ligne de base longue est également réalisée dans cette thèse pour étudier la mesure possible de MO entièrement résolue (≥5σ). Par conséquent, cette thèse couvre plusieurs techniques nouvelles qui sont maintenant adoptées par JUNO couvrant du matériel à la physique la plus importante de JUNO.

Since the discovery of the Pauli’s hypothetical particle, neutrino, in 1950’s from the nuclear reactor, the accumulated knowledge about neutrino has deepened our understanding of the universe. The neutrino oscillation phenomenon, as one of the most remarkable discoveries in recent decades, has revealed and continues unraveling the fundamental properties of neutrinos. To date, neutrino oscillation physics has entered into a high precision era. JUNO is a new generation neutrino experiment based on the world’s largest liquid scintillator detector, aiming primarily for the high precision reactor neutrino oscillation measurements. Its major scientific prospects include the neutrino mass ordering (MO) determination and the unprecedented precision measurement of half of all oscillation parameters (θ₁₂ ∆m₂₁ et ∆m² ₃₂). Being the state of the art liquid scintillator detector, JUNO will also contribute to the exploration of supernova neutrinos, solar neutrinos, geo-neutrinos, proton decay, etc. Regarding the primary physics goals of JUNO, the most critical and challenging topic is the energy control including both accuracy and precision in order to achieve the most precise neutrino oscillation measurements. The goal of the energy control in the JUNO detector is to have an unprecedented ∼3% energy resolution at 1 MeV and sub-percent energy detection systematics. Motivated by the challenging energy control, a novel design, called Dual Calorimetry, is implemented for the first time at JUNO by introducing a second readout (SPMT) system in addition to the main readout (LPMT) system. This design brings some unique insights for the systematics control through the breakdown of the degeneracy of different detector response compositions including non-linearities and non-uniformity. This thesis is devoted to develop, for the first time ever, the novel detector calibration technique of the Dual Calorimetry to address the energy control in terms of both accuracy and precision. The methodology of the novel calibration technique, together with its prospect performance, i.e. sub-percent energy control, will be presented in this thesis. For the critical hardware validation of the Dual Calorimetry, the performance of the SPMT readout electronics is preliminarily tested and validated during this thesis. The Dual Calorimetry technique developed in this thesis will ensure the conditions of ∼3σ JUNO intrinsic MO determination and sub-percent oscillation parameters measurement. Besides the JUNO intrinsic MO study, a MO synergy study between JUNO and long baseline neutrino beam experiments is also performed during this thesis for investigating the possible fully resolved MO measurement (≥5σ). Hence, this thesis covers several novel techniques that are now considered as baseline in JUNO covering from the hardware all the way to the most important physics of JUNO.