Kinematic search for tau neutrino appearance in the DUNE experiment - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Kinematic search for tau neutrino appearance in the DUNE experiment

Recherche de neutrinos tau par des critères cinématiques pour l'expérience DUNE

Résumé

DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) is a major forthcoming long-baseline neutrino experiment dedicated among others to the study of neutrino oscillations via the production of a beam of muon neutrinos at Fermilab. They will be studied both at a near detector site located at Fermilab and at a far detector site located 1300 km away at the Sanford Underground Research Facility in South Dakota. Four gigantic 10 kTon (fiducial mass) detector modules with high spatial resolution and calorimetric performance, based on the liquid argon time projection chambers technology, will allow for the observation of neutrinos at the far detector site. Neutrino oscillations is a peculiar phenomenon which allows for neutrino flavour transitions. It was discovered in 1998 and has been ever since extensively scrutinized. Three years after its discovery, the tau neutrino was observed for the first time. It is today the least well-studied particle of the Standard Model with about twenty directly observed candidates only. DUNE will have an unprecedented sensitivity to the tau neutrino appearance via the large oscillations of muon neutrinos into tau neutrinos along its baseline. An event rate of approximately 30 tau neutrino charged current events per year and far detector module is expected. Their study will allow to significantly improve the understanding of neutrino interactions and offering a test for the 3-flavour neutrino paradigm. However the prompt decay of the charged lepton tau makes the corresponding neutrino flavour identification way more complicated than for electron/muon neutrinos for which the direct observation of the electron/muon is possible. The tau neutrino charged current cross section is moreover kinematically disfavoured by the large mass of the tau (1.78 GeV) which is comparable to the DUNE beam neutrino mean energy of 3 GeV. The isolation of a tau neutrino sample in DUNE thus requires a non-trivial treatment. This thesis presents an analysis to search for tau neutrinos in the DUNE experiment based on kinematical criteria. The precise tracking performance of liquid argon time projection chambers and the excellent particle energy reconstruction makes it suited to search for the tau decay signatures via kinematic criteria. Three tau decay modes are studied and for each of them a dedicated kinematical analysis is deployed to isolate tau neutrinos and reject the associated backgrounds.
DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) est une future expérience sur faisceau de neutrinos sur longue distance qui aura pour objectif, entre autres, d'approfondir l'étude des oscillations des neutrinos. Elle s'appuiera sur la création d'un faisceau de neutrinos muoniques au Fermilab (Illinois), caractérisé avec un détecteur proche situé lui aussi au Fermilab, et utilisé pour les mesures d'oscillation avec des détecteurs lointains situés 1300 km plus loin au Sanford Underground Research Facility dans le Dakota du Sud. Cette installation souterraine comprendra quatre gigantesques détecteurs de neutrinos de 10 kilotonnes chacun (masse de détection) employant la technologie des chambres à projection temporelle à argon liquide, dotée d'une grande résolution spatiale et d'une grande performance calorimétrique. Les oscillations des neutrinos sont un phénomène spécial qui leur permet de changer de saveur. Il a été découvert en 1998 et a depuis fait l'objet d'une activité de recherche expérimentale intensive. Trois ans après cette découverte, le neutrino tau était observé directement pour la première fois. C'est aujourd'hui la particule du Modèle Standard la moins bien étudiée avec seulement une vingtaine de candidats directement observés. DUNE sera d'une sensibilité sans précédent concernant l'apparition de neutrinos tau grâce au large canal d'oscillations des neutrinos muoniques en neutrinos tauiques. Un taux d'événements de cette saveur d'environ 30 neutrinos par an et par détecteur lointain y est attendu. Les étudier permettra de considérablement améliorer la compréhension des interactions de neutrinos avec la matière baryonique et offrira un test pour le paradigme à trois saveurs de neutrino. L'identification de la saveur d'un neutrino s'obtient par la détection du lepton chargé de la même famille créé au vertex d'interaction. Or, la désintégration rapide du lepton chargé tau rend l'identification de cette saveur de neutrino bien plus hardue que pour les neutrinos électroniques et muoniques pour qui l'identification directe de l'électron et du muon est possible. De plus, la grande masse du lepton chargé tau (1.78 GeV), comparable à l'énergie des neutrinos de faisceau de DUNE (3 GeV), rend la section efficace en courant chargé des neutrinos tau défavorable d'un point de vue cinétique. L'identification d'un échantillon de neutrinos tau pour DUNE requiert donc une méthode non-triviale. Cette thèse présente une analyse de recherche de neutrinos tau sur des événements simulés pour l'expérience DUNE en s'appuyant sur des critères cinématiques. La reconstruction précise des traces dans les chambres à projection temporelle à argon liquide du point de vue de la résolution spatiale et de la résolution en énergie rend l'expérience particulièrement adaptée pour la recherche de désintégrations de leptons chargés tau par des critères cinématiques. Trois canaux de désintégration sont étudiés avec pour chacun une analyse dédiée dans le but d'isoler des neutrinos tau et de rejeter les bruits de fond associés.
Fichier principal
Vignette du fichier
TH2021KOSCTHOMAS.pdf (3.94 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03544045 , version 1 (26-01-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03544045 , version 1

Citer

Thomas Kosc. Kinematic search for tau neutrino appearance in the DUNE experiment. Nuclear Experiment [nucl-ex]. Université de Lyon, 2021. English. ⟨NNT : 2021LYSE1170⟩. ⟨tel-03544045⟩
169 Consultations
1544 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More