Recherche d’oscillation vers un neutrino stérile auprès de l’expérience SoLid située au réacteur BR2 : calibration en énergie du détecteur et extraction du signal antineutrino

Search for sterile neutrino oscillations with the SoLid experiment at BR2 reactor : Energy calibration of the detector and antineutrino signal extraction

• Auteur / Autrice : Noë Roy
• Direction : Mathieu Bongrand, Laurent Simard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Hélène Schune
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ines Gil-Botella, David Lhuillier, Christine Marquet, Dirk Ryckbosch
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ines Gil-Botella, David Lhuillier, Christine Marquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Monte-Carlo, Méthode de

Oscillations des neutrinos

Antineutrinos

Mots clés libres

Neutrino

Oscillation

Stérile

SoLid

Calibration en énergie

Oscillations

Sterile

Neutrino

SoLid

Energy calibration

Résumé

SoLid (Search for oscillations with a lithium-6 detector) est une expérience de recherche d’antineutrino à très courte distance située au réacteur BR2 en Belgique. C’est un détecteur de 1.6 tonnes qui couvre une distance entre 6.3 et 8.9 m du cœur du réacteur. L’objectif de l’expérience est la recherche d’oscillation d’antineutrinos électroniques vers un état de neutrino stérile et léger pour sonder ''l’anomalie d'antineutrino de réacteur''. De plus, le cœur du réacteur BR2, hautement enrichi en uranium-235, permet une mesure précise du spectre en énergie des antineutrinos émis par l’uranium-235. Cette mesure pourra aider à la compréhension de l’anomalie spectrale autours de 5 MeV observée par des expériences précédentes. Le détecteur SoLid utilise une technologie hybride de scintillation. Cette technologie est basée sur la combinaison de scintillateurs plastiques et de feuilles de ⁶LiF:ZnS(Ag). L’utilisation de scintillateurs plastiques permet une grande segmentation du détecteur avec 12800 cellules de détection formées de cubes en PVT, mesurant 5×5×5 cm³, associés à des feuilles de ⁶LiF:ZnS(Ag) collées sur deux des côtés des cubes. Les antineutrinos interagissent dans les cubes de PVT via désintégration bêta inverse, avec pour produit un positron et un neutron. L’énergie du positron est mesurée à l’aide de la scintillation du PVT. Le neutron, lui, est capturé par le lithium-6, ce qui induit une scintillation du ZnS. Les photons de scintillation sont ensuite transmis à des MPPCs à l’aide de fibres optiques. Les MPPCs sont utilisés pour lire les signaux lumineux. Cette thèse comprend une revue des oscillations de neutrinos avec une présentation des derniers résultats expérimentaux, ainsi qu’une description complète de l’expérience SoLid. Les deux principaux travaux de la thèse sont ensuite présentés. Le premier étant la calibration en énergie du détecteur. Cette calibration représente une grande partie du travail décrit dans ce document. Celle-ci comprend la mesure de la quantité de lumière de chacune des cellules en plus de la linéarité et de l’homogénéité de la réponse en énergie du détecteur. Cette calibration a permis une connaissance précise de la réponse en énergie du détecteur ainsi que son évolution dans le temps à l’aide de multiples campagnes de calibration. La seconde partie du travail présenté dans cette thèse concerne l’extraction du signal antineutrino. Le détecteur est situé à quelque mètres d’un réacteur nucléaire avec peu de protection contre le rayonnement cosmique. Il doit donc faire face à d’importants taux de bruit de fond, ainsi, l’extraction du signal antineutrino est un vrai challenge. Les différentes sources de bruit de fond sont décrites et analysées dans ce document, de même que les méthodes développées pour les rejeter. L’analyse finale à l’aide d’arbres de décisions boostés est ensuite présentée, suivie d’une discussion sur les incertitudes systématiques. La stabilité de l’analyse a été testée et fourni une extraction robuste des antineutrinos. Ce travail est enfin conclu par une analyse de 21 jours de données de réacteur, avec la mesure d’un spectre en énergie d’antineutrinos ainsi que de la distance qu’ils ont parcourue avant d’interagir dans le détecteur. Ces dernières mesures permettent d’avoir les données nécessaires pour déterminer la sensibilité de l’expérience SoLid à la recherche d’une oscillation vers un neutrino stérile.

SoLid (Search for oscillations with a Lithium-6 detector) is a very short baseline reactor antineutrino experiment based at the Belgian BR2 reactor. It is a 1.6 ton detector covering a distance from 6.3 to 8.9 m from the reactor core. Its main purpose is the search for electron antineutrino oscillation to a light sterile state in order to probe the “reactor antineutrino anomaly”. Thanks to the highly enriched in ²³⁵U BR2 reactor core, the detector also aims to provide a precise measurement of the antineutrino spectrum from ²³⁵U. The measurement of this energy spectrum could help to understand the spectral anomaly at 5 MeV in the reactor antineutrino energy spectrum observed by precedent experiments. The SoLid detector uses a novel hybrid scintillation technology. It is based on the combination of plastic scintillator and ⁶LiF:ZnS(Ag) screens. The use of plastic scintillators allows a fine segmentation of the detector with 12800 detection cells in the form of 5×5×5 cm³ PVT cubes with ⁶LiF:ZnS(Ag) screens on two sides. The PVT cubes are used as targets for the antineutrinos via inverse beta decay (IBD) interactions. The energy of the resulting positron is measured with the PVT scintillation, while the resulting neutron is captured by the ⁶Li, inducing the scintillation of the ZnS. The scintillation photons are then transmitted via wavelength shifting fibres to MPPCs that read out the light signals. After a review of the neutrino oscillation with the latest experimental results and a complete description of the SoLid experiment, the two main tasks of this thesis are presented. The first main contribution of this thesis to the SoLid experiment is the energy calibration of the detector. A great focus has been put on the calibration of each detection cell with light yields measurement, linearity assessment and the test of the homogeneity of the detector response. The contribution of this work to the energy calibration of the detector allowed a precise knowledge of the energy response of the detector. The evolution through time of the detector energy response has also been studied with an analysis of multiple calibration campaigns. The second task presented in this thesis is the extraction of the antineutrino signal. As it is a detector located at a few meters from a nuclear reactor, with close to no overburden, SoLid faces a large proportion of various backgrounds. The extraction of the antineutrino signal is thus real a challenge. The backgrounds faced by the experiment are described and analysed in this work, as well as the methods developed to reject them. The final analysis using boosted decision trees is then presented with a discussion on the systematic uncertainties related to it. The stability of the analysis has been tested and gives a robust measurement of the antineutrino rates. The conclusion of this work is an analysis of 21 days of reactor data, with the extraction of an antineutrino energy spectrum and distance travelled before interacting in the detector. This last measurements give the necessary inputs to determine the sensitivity to sterile neutrino of the experiment and to perform the search for a sterile neutrino signal.