Vers la recherche d’un neutrino stérile avec l’expérience SoLid au réacteur BR2 de SCK- CEN : calibration du détecteur et conception d’une sélection topologique et multivariée d’événements antineutrinos

Toward the search of a sterile neutrino with the SoLid experiment at the SCK-CEN BR2 reactor : detector calibration and design of a multivariate topological selection of antineutrino events

• Auteur / Autrice : David Henaff
• Direction : Benoît Revenu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique Subatomique et Instrumentation Nucléaire
• Date : Soutenance le 04/06/2021
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique Subatomique et des Technologies Associées (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Ginés Martinez Garcia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Revenu, Jacob Lamblin, Christine Marquet, Sara Bolognesi, Jorgen D'Hondt, Benoit Viaud, Frédéric Yermia
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jacob Lamblin, Christine Marquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation

Astrophysique des neutrinos

Mots clés libres

SoLid

Antineutrino

Neutrino stérile

Anomalie réacteur

Oscillation de neutrinos

Calibration en énergie

Simulation

Selection

SoLid

Antineutrino

Sterile neutrino

Reactor anomaly

Neutrino oscillation

Energy calibration

Simulation

Selection

Résumé

L’expérience SoLid est basée auprès du réacteur de recherche BR2 à SCK-CEN, Belgique. Son but est de rechercher une oscillation de neutrino à très courte distance, qui expliquerait l’anomalie dite du flux d’antineutrinos de réacteur, par la présence d’une nouvelle particule, le neutrino stérile. En mesurant le spectre en énergie des antineutrinos émis par ce réacteur très enrichi en Uranium 235, SoLid aiderait aussi à comprendre la différence de forme entre spectres prédit et mesuré, constatée par des expériences antérieures (''bump à 5MeV''). Afin de lutter contre les importants bruits de fond d’origine cosmique inhérents aux expériences situées en surface, SoLid a opté pour une segmentation très élevée : le détecteur se compose de 12,800 cellules de détection lues par 3,200 MPPC. Les antineutrinos électroniques sont détectés via des Décroissances Beta Inverses (IBD), avec une nouvelle technologie de détection s’appuyant sur l’association d’un scintillateur plastique (PVT) et minéral (ZnS). Les contributions de cette thèse peuvent se diviser en trois principales parties. Un premier volet a consisté dans la calibration en énergie du détecteur. Ceci est un défi au vu de la haute segmentation du détecteur. La seconde contribution a porté sur l’ajustement de la réponse en énergie dans la simulation et a amélioré son code. Enfin, la dernière contribution a porté sur la sélection et l’extraction du signal. Tout d’abord avec le développement de nouvelles variables discriminantes exploitant les gamma d’annihilations issus de l’IBD et en utilisant des techniques d’analyse multivariable. Puis via l’amélioration de la méthode officielle d’extraction du signal et le développement d’une nouvelle méthode à des fins de comparaison. Mes travaux permettent entre autres de maîtriser l’échelle en énergie des cubes de SoLid à environ 2% et d’améliorer d’un facteur 4 le rapport signal sur bruit de la sélection d’événements IBD, en maintenant constante son efficacité sur le signal.

The SoLid experience is based near the BR2 research reactor at SCK-CEN, Belgium. Its aim is to search for neutrino oscillation at very short baseline, which would explain the so-called Reactor Antineutrino Anomaly via the presence of a new particle, a sterile neutrino. The measurement of antineutrino energy spectrum from the reactor highly enriched in Uranium 235, SoLid would help to understand the disagreement between predicted and measured observed by previous experiment (so-called 5 MeV bump). In order to fight against the important cosmic induced background inherent in ground-level experiment, the SoLid detector is high segmented: with 12,800 detection cells read-out by 3,200 MPPCs. Electronic antineutrinos are detected via Inverse Beta Decay (IBD), thanks to a new detection technology involving the combination of plastic scintillator, the PVT, and mineral scintillator, the ZNS. Thesis contributions could divided in three main parts. First consisted in the energy calibration of the detector. This is a challenge due to the high segmentation of the target. The second one extended the calibration by adjusting the energy response in the simulation improved its code. Finally, the last one conceived the selection and extraction of the signal. With the development of new discriminating variables which exploits the annihilation gammas from IBD and using multivariate analysis tools. Then via the improvement of the official signal extraction method and the development of a new one for comparison purpose. Among other things, my work allows to control the energy scale of SoLid cubes at around a 2% level and improve by a factor 4 the signal over back-ground ratio for the same signal efficiency.