De T2K à Hyper-Kamiokande : analyse d’oscillation des neutrinos et préparation du système de synchronisation en temps

From T2K to Hyper-Kamiokande : neutrino oscillation analysis and preparation of the time synchronization system

• Auteur / Autrice : Lucile Mellet
• Direction : Boris Popov, Mathieu Guigue
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'Univers
• Date : Soutenance le 18/09/2023
• 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 : Delphine Hardin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Asmâa Abada, Michel Abgrall
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Duchesneau, Laurent Simard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Horloges atomiques

Physique au-delà du modèle standard

Neutrinos -- Interactions

Violation de la règle CP (physique nucléaire)

Oscillations des neutrinos

Mots clés libres

Neutrinos

Violation de CP

Analyse

Horloges atomiques

GNSS

Oscillations de saveur

Neutrinos

CP violation

Analysis

Atomic clocks

GNSS

Flavor oscillations

Résumé

Les neutrinos sont les particules du Modèle Standard dont les propriétés posent le plus d’interrogations non résolues. Malgré leur abondance dans l’Univers, ils sont très difficiles à détecter. Pourtant, ils semblent être une des clefs pour comprendre les questions majeures qui demeurent sur notre Univers et pour découvrir de la Physique au-delà du Modèle Standard. En particulier, la phase de Dirac de violation de la symétrie CP, qui paramétrise l’asymétrie entre neutrinos et anti-neutrinos dans le phénomène d’oscillation de saveurs, est un des paramètres les plus étudiés de nos jours. Si cette phase est non-nulle (modulo pi), cela signifierait que les neutrinos, et le secteur leptonique en général, pourraient participer à l’asymétrie matière/anti-matière de l’Univers, inexpliquée à ce jour. Le programme d’étude des oscillations de neutrinos sur longue distance du Japon offre pour l’instant la meilleure sensibilité à la mesure de violation de CP dans ce contexte. Plus précisément, l’expérience Tokai to Kamioka (T2K) quantifie la disparition de neutrinos muoniques et l’apparition de neutrinos électroniques dans un faisceau de (anti-)neutrinos muoniques de 600 MeV en moyenne, sur une distance de 295 km. Ses performances sont basées sur un ensemble de détecteurs proches à la fois sur l’axe et hors-axe du faisceau, ainsi que sur le détecteur lointain hors-axe Super-Kamiokande (SK) utilisant la détection par lumière Cherenkov dans l’eau. Même si les incertitudes de l’analyse d’oscillation des neutrinos dans T2K sont pour l’instant dominées par les erreurs statistiques, l’impact des effets systématiques gagne en importance au fur et à mesure que des nouvelles données sont collectées. Ceci est particulièrement vrai du fait que l’analyse dépend de modèles pour les sections efficaces d’interaction des neutrinos et les effets nucléaires. Prendre en compte les effets systématiques de la manière la plus complète possible est crucial pour préparer le futur de T2K et de SK: l’expérience Hyper-Kamiokande (HK). C’est dans cette direction que ce manuscrit présente une analyse d’oscillation dans T2K avec les nouvelles données du Run 11, ainsi qu’une étude détaillée de l’impact de l’utilisation d’un modèle incorrect ou incomplet pour l’estimation des sections efficaces et des effets nucléaires sur les contraintes extraites sur les paramètres d’oscillation. De plus, HK sera surtout un nouveau détecteur lointain, basé sur la même technologie que SK mais plus grand et avec de meilleures performances de détection. La prise de données doit commencer en 2027. Tout comme son prédécesseur SK, HK sera non seulement un détecteur lointain pour les expériences de neutrinos d’accélérateurs, mais aussi un observatoire pour les neutrinos de source solaire, atmosphérique, et astrophysique. Chaque élément de ce détecteur sera neuf, y compris le système de synchronisation en temps. Cette thèse porte donc également sur le développement de la génération du signal d’horloge pour un tel système reposant sur des horloges atomiques et des antennes et récepteurs GNSS, en suivant un cahier des charges prenant en compte tous les buts scientifiques de HK. Des simulations de ses performances attendues en stabilité avec une optimisation des méthodes de correction du signal sont aussi discutées dans ce manuscrit.

Neutrinos are Standard Model particles whose observed properties lead us to many open questions. Very abundant yet challenging to detect, they are a key towards physics beyond the Standard Model and they play a major role in the understanding of our Universe. In particular, the Dirac phase of CP symmetry violation that parameterizes the asymmetry in flavor oscillation probabilities between neutrino and anti-neutrinos is one of the most studied parameters nowadays. If this phase is non-zero (modulo pi), this would mean that neutrinos, and the leptonic sector in general, may participate in the unexplained matter/anti-matter asymmetry of the Universe via yet-to-be-discovered leptogenesis mechanisms. The long-baseline neutrino oscillation program in Japan is currently leading the sensitivity to CP violation in neutrino oscillations. More specifically, the Tokai to Kamioka (T2K) experiment measures muon neutrino disappearance and electron neutrino appearance in a beam of 600 MeV (anti-) neutrinos with a baseline of 295 km. Its sensitivity is based on a complex set of near detectors, both on- and off-axis, as well as the off-axis water Cherenkov far detector Super-Kamiokande (SK). Even-though the oscillation analysis of T2K data is currently statistically limited, the importance of systematic parameters is growing as we are accumulating data and since the analysis depends, among others, on neutrino interaction cross-section and nuclear models. Taking into account systematic parameters in the most accurate way possible will be crucial in preparing the future of T2K and SK: the Hyper-Kamiokande (HK) experiment. In that direction, this thesis presents a T2K oscillation analysis with the new Run 11 data as well as a detailed study of the impact of potential mis-modelling or imperfect systematic error model on the oscillation parameter constraints. Moreover, HK will consist mostly of a new far detector based on the same technology as SK but larger and with better performance. It will start taking data in 2027. Just like its predecessor SK, HK will not only be a far detector for accelerator-based experiments, but also a standalone astrophysical, solar, and atmospheric neutrino observatory. Each element of the detector will be new, including the time synchronization system. The development of the time signal generation of such a system following requirements related to all of HK’s Physics goals and involving atomic clocks, GNSS antenna and receiver, is reported. Simulations of its stability performance with optimized signal correction methods are discussed as well.