Thèse soutenue

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

FR  |  
EN
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
Examinateurs / Examinatrices : Benjamin Quilain, Fabien Cavalier, Sara Bolognesi, Yusuke Koshio, Sonia El Hedri
Rapporteurs / Rapporteuses : Fabien Cavalier, Sara Bolognesi

Mots clés

FR  |  
EN

Mots clés contrôlés

Résumé

FR  |  
EN

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.