Mise à niveau du détecteur proche ND280 et son impact attendu sur la sensibilité du T2K et sur l'étude de l'interaction des neutrinos

Upgrade of the Near Detector ND280 and its expected impact on the T2K sensitivity and on the study of neutrino-nucleus interactions

• Auteur / Autrice : Quoc Viet Nguyen
• Direction : Boris Popov
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'Univers
• Date : Soutenance le 27/09/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• 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 : Laboratoire Physique nucléaire et hautes énergies (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Trincaz-Duvoid
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Margherita Buizza Avanzini, Dominique Duchesneau, Claudio Giganti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Juan Miguel Nieves Pamplona, Anselmo Meregaglia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chambres à projection temporelle (physique)

Violation de la règle CP (physique nucléaire)

Neutrinos -- Interactions

Oscillations des neutrinos

Mots clés libres

Neutrino

Expérience T2K

Oscillation de neutrinos

Neutrino

T2K experiment

Neutrino oscillation

Résumé

La physique des neutrinos est aujourd'hui l'un des domaines les plus attractifs de la physique des particules. La découverte de l'oscillation des neutrinos suggère que les neutrinos doivent avoir une masse et implique une physique au-delà des trois neutrinos sans masse du modèle standard (SM). Ses débuts remontent à la mine Homestake, dans le Dakota du Sud, en 1967, lorsque Ray Davis et John Bahcall ont remarqué pour la première fois un décalage entre le nombre prévu et le nombre observé de neutrinos solaires. L’« anomalie des neutrinos solaires » a fait l'objet de recherches expérimentales et théoriques approfondies. Elle a suscité une attention encore plus grande lorsque les expériences GALLEX et SAGE, se servant de germanium, ont également trouvé moins de neutrinos solaires que prévu. D'autres expériences ont également trouvé des anomalies de neutrinos dans des détecteurs construits pour rechercher un phénomène complétement différent : la désintégration des protons. Bien que la désintégration des protons n'ait pas été détectée, une analyse détaillée de l'arrière-plan de neutrinos de ces mesures a révélé que le nombre de neutrinos muoniques atmosphériques était inférieur aux prévisions, ce qui suggère un phénomène similaire à celui indiqué par l'anomalie solaire. La théorie privilégiée pour expliquer les anomalies observées des neutrinos a évolué pour devenir l'oscillation des neutrinos. L'idée de l'oscillation de saveur a été développée par Bruno Pontecorvo, Ziro Maki, Masami Nakagawa et Shoichi Sakata (PMNS), afin d'expliquer l'anomalie solaire. Il y a environ 25 ans, l'oscillation des neutrinos a été découverte grâce aux mesures effectuées à Super-Kamiokande et à l'Observatoire de neutrinos de Sudbury, qui ont été récompensées par le prix Nobel de physique 2015. Après diverses découvertes d'envergure, la physique des oscillations de neutrinos est aujourd'hui à l'ère de la précision. La mesure précise des paramètres d'oscillation des neutrinos et des sections transversales des neutrinos est l'une des plus grandes priorités de la physique des particules élémentaires. Il existe encore de nombreuses propriétés des neutrinos que le modèle standard ne peut expliquer. Les masses non nulles des neutrinos ou la violation potentielle de la symétrie de parité de charge (CP) dans le secteur leptonique sont les plus intéressantes parmi les quelques indices liés à la physique au-delà du SM. La violation de CP est l'une des trois conditions proposées par Andrei Sakharov en 1967 pour expliquer l'asymétrie matière-antimatière, ou en d'autres termes, pour expliquer l'existence de la matière dans l'univers. La violation de CP se retrouve déjà dans le mélange des quarks dans le SM. Cependant, l'asymétrie matière-antimatière observée dans l'univers ne peut pas être entièrement expliquée par une si petite asymétrie dans le secteur des quarks. Heureusement, selon les mesures récentes de l'oscillation des neutrinos, il existe une possibilité potentielle d'une grande violation de CP dans le secteur leptonique. Par exemple, l'expérience T2K - une expérience d'oscillation de neutrinos à longue distance - a contraint la phase δCP et peut exclure la conservation de CP à 2σ [1]. Sur la base des indices actuels de violation de CP, l'importance de mesures précises de l'oscillation des neutrinos a été démontrée par les deux prochaines expériences de grande envergure : Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) et le projet Tokai-to-Hyper-Kamiokande (T2HK) hébergés par les États-Unis et le Japon, respectivement. Néanmoins, il ne suffit pas d'avoir plus de détecteurs géants ; la mesure précise des neutrinos exige également que les erreurs systématiques soient réduites autant que possible (généralement à quelques pour cent) dans les expériences d'oscillation de neutrinos. L'une des principales erreurs systématiques provient de notre compréhension incomplète des interactions neutrino-noyaux. Les incertitudes liées à la diffusion neutrino-noyau [...]

Neutrino physics has entered the precision era; apart from precise measurements of oscillation parameters, the long-baseline experiments also aim to identify the neutrino mass hierarchy and amount of CP violation observed in the neutrino sector. In order to achieve these goals, current and future long-baseline experiments need to reduce the systematic uncertainty to a few per cent. One of the key challenges in reaching such accuracy is our limited understanding of few-GeV neutrino-nucleus interactions. The uncertainties stem from neutrino-nucleus interaction are already the main systematic uncertainties on current neutrino oscillation analysis, such as the one of T2K, and will remain the primary restriction if a better comprehension of the nuclear effect is not attained. These interactions systematic can be improved by using the upgraded near detector ND280.The ND280 is under an upgrade project, and the newly upgraded sub-detectors will be installed at the beginning of 2023. With the new configuration, the target mass of the upgraded ND280 is significantly enhanced with a 2-ton fully-active SuperFGD. Moreover, the upgraded ND280 will become a great tracking device with SuperFGD and High Angle Time Projection Chambers (HA-TPC). These sub-detectors provided the upgraded ND280 with the 4π acceptance, which is equivalent to the far detector. This thesis contributed to the test beam results for HA-TPC, such as the gain uniformity, the drift velocity and especially the deposited energy resolution. The test beam at DESY II facility has proved that the spatial resolution is better than 600~µm, and the energy resolution is better than 9% for all incident angles. These results meet the requirements for upgrading the ND280 TPC.The main concentration of this thesis is on the importance of the upgraded near detector in the future constraints of the systematic uncertainties, especially the ones stemming from nuclear effects. This thesis described a method for studying nuclear effects in neutrino-nucleus interaction by measuring final state particles' kinematics in muon neutrino charged-current interactions with no pions but at least one proton in the final state - CC0π+Np interactions. With the upgraded ND280, the ability to reconstruct the hadronic part is significantly improved. Thanks to this future improvement, a likelihood fit was developed to evaluate the sensitivity of the upgrade to the flux and cross-section model by exploiting the new observables called single-transverse variables which are sensitive to several nuclear effects. The fitter has provided good quantitative sensitivities to key uncertainties. These results show promising constraints on cross-section and flux parameters obtained at the upgraded near detector for future oscillation analysis.With the use of nucleon kinematics in upgraded ND280, the demand for a well-described neutrino-nucleus interaction model is more than ever before.A fake data study for Martini et al. model for pion production channel was done in this thesis. This study aims to evaluate the robustness of the oscillation analysis to modelling in the neutrino-nucleus interaction model outside of the recommendation by T2K. This thesis has described a reweight technique to turn the current T2K prediction of neutrino cross-section to Martini et al. model's cross-section. The impact of Martini et al. fake data study on several oscillation parameters is quantified in this thesis. One of the main results is that the shift on δCP 1D δchi2 distribution caused by this fake data is not significant enough to cause a change in the T2K conclusion of δCP result. Overall, the result of oscillation fit with the Martini et al. one pion production shows consistent oscillation parameters' values with the published results of T2K.