Development of new Time Projection Chambers for societal and academic applications : muon tomography in confined environment and T2K upgrade of the near detector

Développement de nouvelles chambres à projection temporelle pour applications sociétales et académiques : tomographie muonique en environnement restreint et upgrade du détecteur proche de T2K

• Auteur / Autrice : Marion Lehuraux
• Direction : David Attié
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 01/12/2022
• 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 : Département d'Électronique, des détecteurs et d'informatique pour la physique (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2017-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Boris Tuchming
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Drapier, Alessandra Tonazzo, Gianmaria Collazuol, Boris Popov
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Drapier, Alessandra Tonazzo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs gazeux (radioactivité)

Muons

Mots clés libres

Tomographie muonique

Micromégas

Instrumentation

T2k

Muon tomography

Micromegas detector

Instrumentation

T2k

Résumé

La tomographie muonique est un exemple de comment la recherche fondamentale en physique des particules peut profiter à la société. Des télescopes à muons basés sur la technologie Micromegas ont été développés et ont permis la détection de cavités inconnues jusqu'alors dans la pyramide de Gizeh. De ce premier succès sont nées de nouvelles applications possibles pour la tomographie muonique souterraine qui requièrent le développement d'un nouvel instrument capable de reconstruire les traces en 3 dimensions et dans un environnement restreint. Le design de D3DT (Détecteur 3D pour Tomographie muonique) est décrit et les premiers prototypes sont développés et caractérisés. Les performances d'un nouvel algorithme de reconstruction sont testées sur des données simulées. Les premiers prototypes ont pu être utilisés pour acquérir des données sur lesquelles la nouvelle reconstruction a été utilisée. En parallèle, l'expérience T2K qui étudie les différences de masse et le mélange des saveurs des neutrinos en mesurant leurs oscillations est en phase d'upgrade. En particulier, de nouvelles Chambres à Projection Temporelle (TPCs) vont être installées sur le détecteur proche afin d'améliorer l'efficacité de reconstruction des traces à grand angle. Un test faisceau est réalisé afin d'optimiser le design du prototype avant la phase de production puis les performances des différents modules sont validées. De potentielles améliorations de l'analyse sont également investiguées.

Muon tomography is an example of how fundamental research in particle physics can benefit society. Micromegas-based telescopes were developed and successfully detected unknown cavities in Khufu's pyramid. With this first success came the possibilities for novel underground applications requiring the development of a new instrument capable of performing 3D track reconstruction in a confined environment. The design of D3DT (Detector 3D for muon Tomography) is discussed and the first prototypes are developed and characterized. The performances of a new reconstruction algorithm are also tested on simulated data. D3DT first prototypes are successfully operated and the reconstruction algorithm is applied on the acquired data. At the same time the T2K experiment, which probes the mass differences and mixing of neutrinos by measuring neutrino oscillations, is being upgraded. In particular, new Time Projection Chambers (TPCs) have to be installed on the near detector to ensure a better efficiency of the high angle tracks reconstruction. A test beam is conducted in order to fix the prototype design before production and a validation of performances is achieved. Potential improvements of the analysis are also investigated.