Etude des oscillations des neutrinos atmosphériques avec le détecteur Tcherenkov sous-marin KM3NeT/ORCA et synergies avec les neutrinos de réacteurs nucléaires

Study of atmospheric neutrino oscillations with the deep-sea Cherenkov detector KM3NeT/ORCA and synergies with reactor neutrinos

• Auteur / Autrice : Thien Nhan Chau
• Direction : Antoine Kouchner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 16/11/2021
• 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 : Examinateurs / Examinatrices : Marcos Dracos, Corinne Augier, Thomas Patzak, Sergio Navas, Lili Yang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marcos Dracos, Corinne Augier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télescope à neutrinos ANTARES

Čerenkov, Détecteurs de

Oscillations des neutrinos

Mots clés libres

Physique des neutrinos

Oscillations

Détecteurs Cherenkov

Télescopes à neutrinos

KM3NeT

Neutrino physics

Oscillations

Cherenkov detectors

Neutrino telescopes

KM3NeT

Résumé

KM3NeT/ORCA est un télescope à neutrinos déployé dans les profondeurs de la mer Méditerranée dans le cadre de l’infrastructure KM3NeT. Le détecteur est formé d’un réseau tridimensionnel de photomultiplicateurs (PMTs) qui détectent la lumière Tcherenkov induite par les particules chargées produites lors des interactions de neutrinos avec la matière environnante. La configuration du détecteur ORCA est optimisée pour la détection des neutrinos atmosphériques d’énergie supérieure à 1 GeV. Cette thèse porte sur l’étude des oscillations des neutrinos avec le détecteur KM3NeT/ORCA. Elle présente tout d’abord les résultats de simulations Monte Carlo d’événements neutrinos, qui ont notamment permis d’évaluer et de modéliser l’impact des incertitudes systématiques liées à l’efficacité quantique des PMTs sur les performances d’ORCA. La thèse présente ensuite une nouvelle estimation de la sensibilité d’ORCA à l’ordre de masse des neutrinos (OMN) et aux paramètres de mélange dans le secteur atmosphérique : Δm²31 et θ23. Une seconde étude porte sur l’évaluation du gain en sensibilité à l’OMN attendue en combinant les données d’ORCA avec celles de JUNO, une expérience de neutrinos de réacteurs de nouvelle génération en cours de construction en Chine. Ce gain résulte de la tension attendue entre les deux expériences pour leur mesure du paramètre de mélange Δm²31 dans le cas d’une hypothèse erronée sur l’OMN. Enfin, la thèse présente les résultats d’une première mesure des paramètres d’oscillation du secteur atmosphérique avec ORCA dans sa configuration actuelle avec 6 lignes de détection déployées (ORCA6). Cette étude permet déjà de rejeter l’hypothèse de non-oscillation des neutrinos à un degré de confiance élevé, et fournit une contrainte sur les paramètres Δm²31 et θ23 comparable à celle des mesures existantes d’autres détecteurs.

KM3NeT/ORCA is a water-Cherenkov neutrino telescope being deployed in the depths of the Mediterranean Sea as part of the KM3NeT infrastructure. The detector is a tridimensional array of photomultipliers (PMTs) that detect the Cherenkov light induced by the charged particles produced when neutrinos interact with the surrounding matter. The configuration of the ORCA detector is optimized for the detection of atmospheric neutrinos with energies above 1 GeV. This thesis focuses on the study of neutrino oscillations with the KM3NeT/ORCA detector. It presents first the results of Monte Carlo simulations that allowed the study and modeling of the impact of systematic uncertainties related to the PMT quantum efficiency on the ORCA performances. The thesis then presents an updated sensitivity study of ORCAfor the neutrino mass ordering (NMO) and the oscillation parameters in the atmospheric sector: Δm²31 and θ23. A second study evaluates the gain in NMO sensitivity expected by combining the data of ORCA to those of JUNO, a next-generation reactor neutrino experiment being built in China. This gain results from the expected tension between the two experiments in the best-fit of Δm²31 when assuming the wrong ordering. Finally, the thesis also presents the first measurement of the oscillation parameters in the atmospheric sector using data taken with ORCA in its current configuration with 6 lines deployed (ORCA6). This study already excludes the hypothesis of non-oscillation at a high confidence level, and provides a constraint on Δm²31 and θ23 comparable to existing measurements from other experiments.