Détection de Neutrinos provenant de Supernovae à effondrement de cœur

Core Collapse Supernovae Neutrino Detection in XENONnT

• Auteur / Autrice : Layos Daniel García
• Direction : Luca Scotto Lavina, Bernard Andrieu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'Univers
• Date : Soutenance le 01/10/2024
• 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 : Eli Ben-Haim
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maria Cristina Volpe, Laura Baudis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Pralavorio, Olivier Drapier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Particules (physique)

Supernovae

Matière noire (astronomie)

Neutrinos

Mots clés libres

Neutrinos

Supernovae

Matière noire

Neutrino

Supernovae

Dark matter

Résumé

Les supernovae à effondrement de cœur (CCSN en anglais) émettent plus de lumière que toutes les étoiles de la galaxie dans laquelle leur étoile est née. Les restes de ces supernovae seront visibles pendant des siècles. Cependant, les informations sur les processus physiques dans le cœur de l'étoile sont transmises via un jet de neutrinos émis dix secondes seulement après le rebondissement du cœur. Alors que les télescopes ont le temps de détecter les rémanents de supernovae, les détecteurs de particules sur Terre s'attendent à voir la moitié des événements du flux de neutrinos dans la première seconde après l'effondrement du cœur. Le premier et unique signal de neutrinos provenant de CCSN a été détecté en 1987 (SN1987A). Depuis, nous cherchons toujours le prochain. Les neutrinos CCSN présentent un défi pour les détecteurs de particules, nécessitant sont observation d'une résolution en temps et en énergie très précises. Les détecteurs directs de matière noire fournissent un environnement unique pour étudier ce signal, à travers des mécanismes différents de ceux utilisés par les détecteurs à eau cerenkov ou à scintillateur liquide de grand volume. Les détecteurs de matière noire sont souvent situés sous terre, protégés du rayonnement cosmique et présentent un bruit de fond ultra-faible, ce qui leur permet d'observer potentiellement des neutrinos cosmiques, comme ceux provenant de notre Soleil. Ces derniers présentent un flux environ 10^4 inférieur à celui d'un flux de neutrinos CCSN au centre de la Voie Lactée. Le détecteur XENONnT est composé par une chambre de projection temporelle (TPC) à double phase remplie de xénon liquide, entourée d'un volume d'eau qui agit comme veto pour les muons ou les neutrons. XENONnT présente alors deux volumes de détection sensibles aux neutrinos CCSN : les 5,9 tonnes de xénon liquide dans le TPC, où les neutrinos devraient interagir via diffusion élastique cohérente avec les noyaux de xénon (CEνNS) ; et le réservoir d'eau avec 700 tonnes d'eau ultrapure dopée au sel de Gd, contenant le neutron veto (56 tonnes) et les muon veto (644 tonnes), dans lesquels les neutrinos devraient induire une réaction de désintégration bêta inverse (IBD). L'objectif de cette thèse est d'étudier le signal CCSN dans tous les volumes de détection disponibles, avec un accent particulier sur les interactions attendues des neutrinos dans le réservoir d'eau. Le manuscrit de la thèse est organisé comme suit. Le chapitre 1 couvre la physique des CCSNs, tandis que le chapitre 2 se concentre sur l'émission de neutrinos et leur propagation dans le milieu. L'état de l'art de la modélisation du flux de neutrinos CCSN, aboutissant à la sélection de l'un des modèles disponibles sera aussi présenté dans ce chapitre 2. Le chapitre 3 s'ouvre avec un aperçu des techniques de détection des neutrinos CCSN, incluant XENONnT. Le chapitre se termine par une simulation du signal CEνNS induit par le flux des neutrinos CCSN dans la TPC. Les deux derniers chapitres 4 et 5 sont consacrés à l'étude du signal CCSN dans le réservoir d'eau. En particulier, le chapitre 4 décrit les deux volumes sensibles, dont la micro-physique de la lumière Cerenkov induite par le signal des neutrinos CCSN. De plus, les taux d'éventements de IBD et les spectres qui seront utilisés pour la simulation du signal CCSN dans le réservoir d'eau sont discutés. Le chapitre 5 aborde la chaîne de simulation de neutrino CCSN, incluant le travail de digitalisation du signal IBD dans le vetos. Finalement, ce manuscrit se termine par un chapitre de conclusion dans lequel les résultats de simulation de CEνNS dans le LXe TPC et IBD dans le réservoir d'eau seront synthétisés. Ce travail a également été pensé pour fournir des lignes directrices précises aux scientifiques qui ont l'intention d'effectuer des projections nouvelles et mises à jour sur la détectabilité des neutrinos CCSN pour les futurs détecteurs de matière noire de plus grande envergure.

Core Collapse supernovae (CCSNs) emit more light than all the stars in the galaxy from which their progenitor star was born. The remnants of the core collapse supernovae will be visible for centuries. However, information about what occurred in the core is transmitted via a neutrino burst that is emitted ten seconds only after the core bounces. While telescopes have time to point out supernova remnants, particle detectors on Earth expect to see half of the neutrino burst events in the first second after the collapse. The first and only CCSN neutrino signal has been detected in 1987 (SN1987A). Since then, we are still searching for the next one. Detecting a future, new CCSN neutrino burst presents a challenge for particle detectors, necessitating precise timing and energy resolution. Direct dark matter detectors provide a unique environment for investigating the CCSN signal, through mechanisms that are different from what large volume water cerenkov or liquid scintillator detectors are capable to provide. Dark matter detectors are often located underground, protected from cosmic radiation and exhibit ultra-low backgrounds, allowing them to potentially observe cosmic neutrinos, such as those from our Sun, which present around 10^4 times lower fluxes than a CCSN neutrino burst from the Milky Way center. The XENONnT detector is based on a xenon dual phase time projection chamber (TPC), surrounded by a water cerenkov volume that acts as a muon or neutron veto. XENONnT presents then two detection volumes sensitive to CCSN neutrinos: the 5.9 tonnes of liquid xenon in the TPC, where neutrinos are expected to interact via coherent elastic scattering with xenon nuclei (CEνNS); and the water tank with 700 tonnes of ultrapure water doped with Gd salt, compounding the neutron (56 tonnes) and muon (644 tonnes) vetoes, in which neutrinos are expected to induce an inverse beta decay (IBD) reaction. The goal of this thesis is to investigate the CCSN signal in all available detection volumes, with a particular focus on the expected neutrino interactions in the water tank. The thesis manuscript is organized as follows. Chapter 1 covers the physics of the core collapse, while Chapter 2 focuses on neutrinos emission and their propagation that will result in the final detectable neutrino flux at the Earth. This second chapter presents as well the state of the art of CCSN modeling, culminating in the selection of one of the available models that will be used in the CCSN analysis in the next chapters. Chapter 3 opens with a small review of CCSN neutrino detection, then moves to the description of the XENONnT TPC detector. The chapter ends with an original work where the CEνNS are simulated in the TPC. The next two chapters are devoted to the investigation of the CCSN signal in the water tank. In particular, chapter 4 describes the two sensitive volumes, including the micro-physics of the Cerenkov light induced by the CCSN signal. In addition, the predicted IBD rates used for CCSN signal simulation in the water tank are discussed. Chapter 5 addresses the CCSN simulation chain, with an original work on the digitalization of the IBD process in the muon and neutron veto, included in the full GEANT4 simulation chain of the experiment. To test the reliability of the data digitalization, a comparison with data from AmBe calibrations have been used.Finally, this manuscript ends with a conclusion chapter in which the simulation results from CEνNSin the LXe TPC and IBD in the water tank will be summarized. This work has been thought as well to provide precise guidelines for scientists who intend to perform new and updated projections on CCSN detectability for future and larger dark matter detectors.