Sensitivity to sterile neutrino existence with atmospheric neutrinos in the DUNE far detector

Sensibilité à l'existence des neutrinos stériles par le biais des neutrinos atmosphériques dans le détecteur lointain de DUNE

• Auteur / Autrice : Camille Sironneau
• Direction : Thomas Patzak
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 09/09/2025
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• 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 : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Paul De Jong
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Kouchner, Yun-Tse Tsai
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Piquemal, Dorothea Samtleben

Mots clés

Mots clés contrôlés

Expérience DUNE

Astrophysique des neutrinos

Oscillations des neutrinos

Mots clés libres

Oscillations des neutrinos

Neutrinos atmosphériques

Neutrinos stériles

DUNE

Neutrino oscillations

Atmospheric neutrinos

Sterile neutrinos

DUNE

Résumé

Compte tenu de leur masse non prévue par le Modèle Standard, les neutrinos constituent un excellent point de départ pour poursuivre les recherches vers de la nouvelle physique au-delà de ce modèle. Dans ce contexte, l'hypothèse de l'existence de neutrinos stériles, n'interagissant pas via une des interactions standards, a été suggérée comme une extension prometteuse du Modèle Standard afin d'aider à expliquer de multiples anomalies expérimentales. La manière la plus directe d'explorer cette hypothèse est par l'étude des oscillations des neutrinos actifs (standards), car l'ajout d'un (ou plusieurs) état(s) de mélange affectera les probabilités d'oscillation et, par conséquent, le nombre d'événements attendus dans un détecteur de neutrinos. Ainsi, la plupart des expériences axées sur l'étude des oscillations des neutrinos pourraient permettre de contraindre l'existence des neutrinos stériles. Le travail développé dans cette thèse vise à estimer la capacité de l'expérience DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) à contraindre les paramètres d'oscillation des neutrinos stériles par la détection des neutrinos atmosphériques. L'étude des neutrinos atmosphériques est complémentaire à celle des neutrinos de faisceau, puisque elle permet d'observer une gamme plus large d'énergies et de trajectoires, ce qui a un impact sur les probabilités d'oscillation des neutrinos. Ceci, combiné aux performances de reconstruction attendues par l'expérience concernant l'énergie et la direction des neutrinos, pourrait être un atout particulier de DUNE concernant la recherche de neutrinos stériles.

Given their previously unpredicted massive nature, neutrinos are an excellent starting point for pursuing further searches towards new physics beyond the Standard Model (SM). In this scope, the hypothesis of additional neutrinos that don't interact through any standard interaction has been suggested as a promising extension of the SM to aid in the explanation of multiple experimental anomalies. The most direct way to explore this hypothesis is to study the oscillation patterns of active (standard) neutrinos, as adding one (or more) extra mixing states will affect the oscillation probabilities and, thus, the number of events we expect to see in a neutrino detector. As such, most experiments focused on neutrino oscillation studies might be able to constrain the existence of sterile neutrinos. This work aims to estimate the feasibility of the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) to constrain sterile neutrino parameters using atmospheric neutrinos. The study of atmospheric neutrinos is complementary to beam neutrino physics as it allows for a wider range of energies and baselines, both having an impact on neutrino oscillation probabilities. This, combined with the expected reconstruction performance for both neutrino energy and direction, might give DUNE particular insight in the search for sterile neutrinos.