Vers une compréhension complète des interactions neutrino-noyau avec l'upgrade du détecteur proche de T2K

Towards a complete understanding of neutrino-nucleus interactions with the T2K near detector upgrade

• Auteur / Autrice : Jaafar Chakrani
• Direction : Margherita Buizza Avanzini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 05/09/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Leprince-Ringuet (Palaiseau, Essonne) - Laboratoire Leprince-Ringuet / LLR
• Jury : Président / Présidente : Andrea Giuliani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Margherita Buizza Avanzini, Alessandra Tonazzo, Sara Bolognesi, Federico Sanchez Nieto, Jaime Dawson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andrea Giuliani, Alessandra Tonazzo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neutrinos -- Interactions

Oscillations des neutrinos

Astrophysique des neutrinos

Mots clés libres

Neutrino

T2k

Oscillations

Interaction neutrino-Noyau

Neutrino

T2k

Oscillations

Neutrino-Nucleus interaction

Résumé

L’expérience T2K étudie les oscillations des neutrinos et des antineutrinos. Ceux-ci sont produits à J-PARC et détectés à Super-Kamiokande 300 km plus loin pour déterminer les paramètres de mélange, et surtout la phase de violation CP. La source principale des incertitudes systématiques dans ces mesures est liée à la méconnaissance de la physique nucléaire qui régit l'interaction du neutrino avec un noyau du détecteur. C’est pour cela qu’un ensemble de détecteurs proches comme ND280 est situé près de la source des neutrinos afin de mieux comprendre leurs mécanismes de diffusion. T2K est en train de mettre à niveau ND280 pour raffiner ses mesures des interactions neutrino-noyau. Son installation et la mise à niveau du faisceau sont en cours et constitueront le début d’une seconde phase de prise de données jusqu’en 2027.La modélisation des interactions neutrino-noyau est une étape clé dans toute analyse d’oscillation. Elle est fondée sur des hypothèses parfois grossières qui ne permettent souvent pas d’expliquer les données observées. L’un des modèles raffinés pour décrire les interactions quasi-élastiques est le modèle à fonction spectrale (SF), récemment adopté par T2K, qui est fondé sur le modèle des couches nucléaires et des données de diffusion des électrons. Nous présentons une nouvelle paramétrisation de ses incertitudes, et démontrons l'amélioration de ses prédictions pour plusieurs données de sections efficaces. Par conséquent, cette paramétrisation a été utilisée dans l’analyse d’oscillation de T2K.La mise à niveau du ND280 est centrée autour du SFGD, un détecteur 3D de 2 millions de cubes de plastique scintillateur. Sa granularité fine permettra d’explorer la physique derrière les erreurs systématiques dans les mesures d’oscillation avec une précision inédite, notamment grâce à son acceptance isotrope, son bas seuil de détection de protons et sa capacité à mesurer la cinématique des neutrons. La lecture de ses données requiert une chaîne complexe d’électronique discutée dans cette thèse avec un accent sur les tests exhaustifs des cartes électroniques.T2K entrera dans une nouvelle ère de d’études de la physique des interactions neutrino-noyau avec cette mise à niveau. Cependant, plusieurs défis doivent être surmontés. D’abord, les ressources de calcul nécessaires ne cesseront d’augmenter pour le fonctionnement des algorithmes d’ajustement quand la statistique des échantillons est plus importante et la dimensionnalité des modèles est plus élevée. Cette thèse présente un nouveau logiciel, GUNDAM, conçu pour adresser ce problème. Nous nous focalisons sur sa validation en reproduisant les deux dernières analyses d’oscillations de T2K. Ainsi, GUNDAM deviendra l’un des outils principaux de T2K.La capacité du SFGD à mesurer les hadrons à basse impulsion permet de définir de nouvelles observables. Nous concevons dans GUNDAM une analyse des données du détecteur proche en exploitant de nouvelles variables particulièrement sensibles aux effets nucléaires impactant les mesures d’oscillations. Les contraintes attendues sur les incertitudes liées au modèle d’interaction, et particulièrement le modèle SF, sont quantifiées et montrent une réduction importante grâce au SFGD.De plus, nous présentons la sensibilité attendue de la mesure des paramètres d’oscillation avec cette nouvelle période de prise de données avec cette modélisation améliorée. Nous montrons comment la phase de violation CP pourrait être contrainte en fonction des autres paramètres de mélange, et soulignons le rôle croissant des incertitudes systématiques à la fin de cette période. En particulier, si la hiérarchie des masses est connue, la symétrie CP pourrait être exclue à 3σ pour certaines valeurs des paramètres de mélange uniquement si les incertitudes systématiques peuvent être réduites. Nous évaluons aussi la résolution sur les autres paramètres et concluons avec une discussion sur comment mieux exploiter le SFGD pour améliorer les mesures d’oscillation.

The goal of the T2K experiment is to study the oscillations of muon neutrinos and antineutrinos. These neutrinos are produced at J-PARC on the east coast of Japan and measured at Super-Kamiokande, 300 km away, to determine their mixing parameters, and particularly the CP-violating phase. One of the dominant systematic uncertainties in these measurements is related to the poor knowledge of the nuclear physics of neutrino interactions with the target nuclei. This is among the reasons why a suite of “near” detectors like ND280 is located close to the beam production point, allowing us to better understand the mechanisms of neutrino scattering. T2K is currently upgrading ND280 for more refined neutrino interaction measurements. Its installation, along with an upgrade of the beam power, are taking place this year and will constitute the start of a second phase of data taking until 2027.Modeling neutrino interactions is a key step in any oscillation analysis. This often relies on crude assumptions and ad-hoc models that are not satisfactory to explain the observed data. A sophisticated way of describing the ground nuclear state in neutrino charged-current quasielastic interactions is based on the spectral function (SF) model, recently adopted by T2K, which is built from the well-established nuclear shell model and electron scattering data. We present a new parametrization of the systematic uncertainties related to this model and show how these allow for a good model tuning and improved agreement with a variety of cross section measurements. This parametrization consequently became part of the T2K oscillation analysis.The heart of the near detector upgrade is the SFGD, a 3D fine-grained plastic scintillator detector. Its unprecedented granularity will open the door to a precise probing of the complex physics behind the dominant systematic uncertainties of the oscillation analysis with its capabilities of full polar angle acceptance, low proton tracking threshold, and reconstruction of neutron kinematics. The readout of its channels requires a complex chain of electronics which is discussed in this thesis, with a focus on the exhaustive testing of its front-end boards.The upgrade era will open the door to an improved understanding of neutrino interaction physics, but there are multiple challenges to overcome to achieve this. One of these is related to the computational difficulties in fitting large data samples with high-dimensional models. This thesis discusses a new optimized framework called GUNDAM, with a focus on its validation by reproducing the latest analyses. GUNDAM is now becoming part of the main T2K software.The ability of the SFGD to reconstruct low-momentum hadrons allows to use more sophisticated observables. In this thesis, we design a near detector analysis within GUNDAM exploiting new variables particularly sensitive to the nuclear effects that impact oscillation measurements. We quantify the expected precision in the tuning of the interaction model, and notably in the SF model parameters introduced previously which show a strong reduction in their uncertainties when adding the new SFGD samples.Furthermore, we present the expected constraints on the oscillation parameters in this new period of data taking with this improved modeling. We show how the CP-violating phase could be constrained depending on the neutrino mass ordering and the values of the other mixing angles, and highlight the increasing role of the systematic uncertainties by the end of this period. In particular, if the mass ordering is known, CP-symmetry could be excluded at 3σ for certain values of the mixing angles only if the systematic uncertainties are further improved. We also evaluate the expected resolution on the remaining unknown mixing parameters and assess the weak sensitivity of T2K to the mass ordering. We conclude with a discussion on ways of how to fully leverage the power of the upgrade to improve the oscillation measurements.