Fond Diffus de Neutrinos issus de Supernovæ : Des Fondations vers la Détection & la Découverte avec les Expériences Super-Kamiokande et Hyper-Kamiokande

Diffuse Supernova Neutrino Background : From Foundations towards Detection & Discovery with Super-Kamiokande and Hyper-Kamiokande Experiments

• Auteur / Autrice : Antoine Beauchêne
• Direction : Benjamin Quilain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/12/2024
• 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 ; 1936-....) - Laboratoire Leprince-Ringuet
• Jury : Président / Présidente : Yves Sirois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benjamin Quilain, Fabien Cavalier, Sara Bolognesi, Yusuke Koshio, Sonia El Hedri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabien Cavalier, Sara Bolognesi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Astrophysique des neutrinos

Supernovae

Neutrinos

Mots clés libres

Neutrinos

Supernovae

Astrophysique des neutrinos

Neutrino

Supernova

Super-Kamiokande

Background

Hyper-Kamiokande

Résumé

Les supernovæ à effondrement de cœur (CCSNe) sont causées par la mort d’étoiles massives (au moins 8 fois la masse de notre Soleil) et comptent parmi les événements les plus cataclysmiques de notre Univers.Lors de ce processus, environ 99% de l’énergie gravitationnelle des étoiles est libérée sous forme de neutrinos, laissant derrière elles une étoile à neutrons ou un trou noir. Ces particules représentent donc une sonde idéale pour caractériser et comprendre le mécanisme de CCSN. Cependant, la décroissance du flux de neutrinos avec le carré de la distance nous séparant d'un tel événement, couplé à leur section efficace extrêmement faible limitent les expériences les étudiant à se concentrer sur les CCSNe ayant lieu dans notre Galaxie ou dans des galaxies voisines proches. La dernière CCSN observée dans une galaxie proche (le Grand Nuage de Magellan) ayant eu lieu en 1987, et compte tenu de la rareté de ces événements (seulement 1 ou 2 par siècle), les possibilités de contraindre les modèles théoriques par la détection de neutrinos sont très limitées. Afin de dépasser ces contraintes temporelles, l’expérience Super-Kamiokande (SK) ambitionne de mesurer le fond diffus de neutrinos issus de supernovæ (DSNB). Ce dernier correspond à l’ensemble des neutrinos émis par toutes les CCSNe ayant eu lieu depuis les débuts de l’Univers. Sa détection ouvrirait une nouvelle fenêtre d’exploration, non seulement sur les CCSNe elles-mêmes, mais aussi sur l’histoire de la formation des étoiles, les propriétés des neutrinos et l’histoire de notre Univers.Cependant, en raison de son faible flux, le DSNB n’a jusqu’à présent jamais été détecté. Dans le but de réaliser cette première détection, la collaboration SK a ajouté du gadolinium aux 50 kilotonnes d’eau contenues dans le détecteur en 2020. Le canal principal pour la détection du DSNB est la désintégration bêta inverse, où un antineutrino électronique interagit avec un proton libre au sein du détecteur pour produire un positron et un neutron. L’ajout de gadolinium permet de renforcer significativement la détection du neutron, augmentant sa signature énergétique et le rendant ainsi plus facilement identifiable.Dans cette thèse, nous présentons la première analyse de DSNB utilisant les données de SK-Gd qui a été développée et menée au cours de ce travail.Grâce à cette étude, nous montrons que la découverte du DSNB pourrait être réalisée d’ici la fin de cette décennie, établissant par la même occasion les meilleures limites supérieures actuelles sur les flux de DSNB. Par la suite, nous avons mené plusieurs études visant à optimiser la sélection des événements associés aux positrons et aux neutrons et proposer des pistes d’amélioration.En 2027, son successeur, Hyper-Kamiokande (HK), environ 5 fois plus volumineux, commencera à collecter des données, permettant de repousser encore davantage les frontières de ces recherches. Nous avons donc également réalisé une étude phénoménologique des CCSNe et du DSNB à partir de simulations de CCSNe dans le but d’anticiper les informations qu’HK pourrait révéler. Au cours de ce projet, nous avons exploré diverses transformations de neutrinos, incluant leur désintégration et des effets de matière, afin de déterminer comment HK permettra de distinguer ces différents scénarios lors de la détection d’une CCSN proche. Quant au DSNB, nous avons utilisé cette sonde pour explorer différents modèles dans lesquels une fraction variable des CCSNe produirait des trous noirs.

Core-Collapse SuperNovae (CCSNe) are caused by the deaths of massive stars (at least 8 times the mass of our Sun) and rank among the most cataclysmic events in our Universe. During this process, approximately 99% of the gravitational energy of the collapsing stars is released in the form of neutrinos, leaving behind either a neutron star or a black hole. These particles thus offer an ideal probe to characterise and understand the mechanism of CCSNe. However, the decrease in neutrino flux with the square of the distance from such an event, coupled with their extremely small cross-section, limits experiments studying these particles to CCSNe occurring within our Galaxy or in nearby neighbouring galaxies. With the last close-galactic CCSN observed in 1987 (in the Large Magellanic Cloud) and given the rarity of these events (only 1 or 2 per century), the opportunities to constrain theoretical models through neutrino detection are highly limited. To overcome these time constraints, the Super-Kamiokande (SK) experiment aims to measure the Diffuse Supernova Neutrino Background (DSNB). This background represents the cumulative neutrino flux emitted by all CCSNe that have occurred since the Universe began. Detecting this background would open a new window of exploration not only into the CCSNe themselves but also into the history of star formation, neutrino properties, and the evolution of the Universe.However, due to its low flux, the DSNB has not yet been detected.To enable this first detection, the SK collaboration added gadolinium to the 50 kilotonnes of water contained in the detector in 2020. The main detection channel for the DSNB is inverse beta decay, in which an electron antineutrino interacts with a free proton within the detector to produce a positron and a neutron. The addition of gadolinium (Gd) significantly enhances neutron detection, amplifying its energy signature and thus making it more easily identifiable.In this thesis, we present the first DSNB analysis using SK-Gd data, which was developed and conducted over the course of this work. Through this study, we demonstrate that DSNB discovery could be achieved by the end of this decade, setting at the same time the current strongest upper limits on DSNB fluxes. Subsequently, several studies were carried out to optimise the selection of events associated with positrons and neutrons, offering avenues for further improvements.In 2027, its successor, Hyper-Kamiokande (HK), approximately 5 times larger in volume, will begin collecting data, pushing the boundaries of these studies even further. Consequently, we also conducted a phenomenological study of CCSNe and DSNB based on CCSNe simulations, aiming to anticipate the insights HK could provide. During this project, we explored various neutrino transformations, including their decay and matter effects, to assess how HK could distinguish these different scenarios when detecting a nearby CCSN. As for the DSNB, we used this probe to explore models in which a variable fraction of CCSNe would result in black hole formation.