De la Modélisation du Signal à l'Identification des Particules : Développement d'un Algorithme de Reconstruction de la Perte d'Énergie pour les TPC à MicroMegas Résistifs dans T2K

From Signal Modeling to Particle Identification : Development of an Energy Loss Reconstruction Algorithm for Resistive Micromegas TPCs at T2K

• Auteur / Autrice : Tristan Daret
• Direction : Georges Vasseur, Philippe Schune
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 30/09/2025
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département de physique des particules (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Boris Popov
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mauro Iodice, Jaime Dawson, Werner Riegler, Ioannis Giotamaris, Florian Brunbauer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mauro Iodice, Jaime Dawson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement cosmique

Modèles mathématiques

Micromegas (détecteur de gaz)

Chambres à projection temporelle (physique)

Neutrinos

Mots clés libres

Neutrinos

T2K

TPC

Micromegas

Modélisation

DE/dx

Neutrinos

T2K

Tpc

Micromegas

Modeling

DE/dx

Résumé

L'expérience T2K vise à expliquer l'asymétrie matière-antimatière de l'univers actuel. À cette fin, elle étudie la violation de la symétrie de charge-parité dans les oscillations des (anti)neutrinos muoniques. Le faisceau de neutrinos, produit à J-PARC, est caractérisé et contrôlé par un complexe de trois détecteurs proches, dont ND280. Un détecteur lointain, Super-Kamiokande, détecte ces neutrinos à 300 km à l'ouest, après leur oscillation durant leur parcours dans la croûte terrestre. Afin de suivre l'augmentation du nombre interactions détectées grâce au faisceau de J-PARC nouvellement amélioré, ND280 a également fait l'objet d'une mise à niveau en 2024. On lui a notamment ajouté deux HATPC (High-Angle Projection Chambers), qui identifient les particules divergeant du faisceau. Cette identification est rendue possible par la résolution spatiale des traces reconstruites et la résolution de la perte d'énergie dE/dx de la particule. Ces HATPC ont été équipées de 32 lecteurs ERAM (Encapsulated Resistive Anode bulk MicroMegas) afin d'améliorer la résolution spatiale sans augmenter le nombre de canaux, contrairement aux premières TPC de ND280 à lecteurs métalliques. Lorsque les électrons ionisés par une particule atteignent leur surface résistive, ils s'y diffusent, déclenchant plusieurs canaux l'un après l'autre, contrairement à la technologie métallique, où seul le canal sous le dépôt est déclenché. Plus de déclenchements signifie plus d'informations et donc une meilleure résolution spatiale. Pour déterminer la position de la trace, les canaux de lecture sont regroupés en clusters si la majeure partie de leur signal est causée par les mêmes dépôts. Cependant, l'estimation de dE/dx est plus gênée qu'aidée par la diffusion des charges, car l'électronique de lecture n'a pas encore fini d'intégrer l'amplitude du signal avant que les charges ne fuient vers les canaux voisins, conduisant à sa sous-estimation. Le premier algorithme dE/dx pour les HATPC a tenté de compenser cet effet en utilisant également les clusters. Dans cette thèse, il a d'abord été démontré en détail que l'algorithme dE/dx basé sur les clusters n'était pas viable pour les traces diagonales. Un modèle de réponse des HATPC a été développé pour fournir une approche alternative. Basé sur l'équation des télégraphistes pour un réseau résistance-capacité (RC), le modèle tient compte de la projection de la trace sur les ERAM, de la diffusion des électrons primaires pendant la dérive et du coefficient de diffusion sur la feuille résistive, 1/RC. Les dépôts de charge dus à la trace sont traités comme une distribution linéique homogène, rendant un seul calcul suffisant pour obtenir le signal dans un canal, contrairement aux modèles de dépôts ponctuels, et leurs centaines de calculs. Comme le modèle fournit l'amplitude du signal pour une charge déposée et une géométrie de trace données, il peut être utilisé en sens inverse : l'algorithme basé sur le modèle prend l'amplitude enregistrée par un canal et la trace ajustée en entrée, et renvoie la charge déposée. Normalisée par la longueur de la trace, elle donne l'estimation locale dE/dx. L'algorithme a été testé sur des faisceaux d'essai, des rayons cosmiques et des données de faisceaux T2K. Pour tous les ensembles de données et toutes les géométries de trace, ses performances ont été aussi bonnes, voire meilleures, que celles de l'algorithme précédent basé sur les clusters, démontrant sa robustesse et la réussite de la modélisation. La résolution dE/dx obtenue est inférieure à 8 % pour les trajectoires courtes (rayons cosmiques) et inférieure à 6 % pour les trajectoires longues (faisceau), ce qui répond à l'exigence de mise à niveau de 10 %. En outre, des travaux matériels pour la mise en service des HATPC ont été menés au CERN (configuration des déclencheurs pour les rayons cosmiques), à J-PARC (installation et surveillance de la HATPC supérieure) et à Kamioka (caractérisation des photomultiplicateurs pour Hyper-Kamiokande).

The Japan-based T2K experiment aims to explain the matter-antimatter asymmetry of the present-day universe. To this end, it studies charge-parity (CP) symmetry violation in muon (anti)neutrino oscillations. The neutrino beam, produced by the J-PARC facility, is characterized and monitored by a complex of three near detectors, including ND280. A far detector, Super-Kamiokande, detects these neutrinos 300 km to the west, after they have oscillated along their path through the Earth's crust. To keep up with the ever-increasing statistics provided by the newly upgraded J-PARC beam, ND280 also underwent a hardware upgrade in 2024. The cubic π⁰ subdetector PØD was decommissioned and replaced by time-of-flight panels installed around three new horizontal slab-shaped subdetectors: an active target and 3D tracker called the Super Fine-Grained Detector in the middle, surrounded by two High-Angle Time Projection Chambers (HATPCs), which identify particles scattering away from the beam. This identification is enabled by the spatial resolution of the reconstructed tracks and the resolution of the particle's energy loss, dE/dx. These HATPCs were equipped with 32 Encapsulated Resistive Anode bulk MicroMegas (ERAM) readouts to improve spatial resolution without increasing the number of readout channels, compared to ND280's first TPCs that use metallic readouts. When the track-induced ionized electrons reach the resistive sheet of the readouts, they spread over it, triggering several channels one after the other, as opposed to the metallic technology, where only the channel under the deposit was triggered. More triggers mean more information and, thus, a better spatial resolution. To resolve the track position, the readout channels are grouped into a cluster if most of their signal is caused by the same deposits. However, dE/dx estimation is more hindered than helped by charge spreading, as the readout electronics have not yet finished integrating the signal amplitude before the charge leaks to neighboring channels, leading to its underestimation. The first dE/dx algorithm for the HATPCs attempted to compensate for this effect by using clustering as well. This thesis first demonstrated through a thorough investigation that the cluster-based dE/dx algorithm was not viable for diagonal tracks. A detector response model was developed to provide an alternative approach. Based on the Telegrapher's equation for a Resistance-Capacitance (RC) network, the model accounts for the track projection onto the ERAMs, the diffusion of primary electrons during the drift, and the diffusion coefficient on the resistive sheet, 1/RC. The track's charge deposits are treated as a lineic homogeneous distribution, so that only one computation is needed to obtain the signal in a channel, unlike point-like deposit models, which require hundreds. Since the model provides the signal amplitude for a given deposited charge and track geometry, it can be used in reverse: the model-based algorithm takes the amplitude recorded by a channel and the fitted track as inputs, and returns the deposited charge. Normalized by the track length, this yields the local dE/dx estimate. The algorithm was tested on test beams, cosmic rays, and T2K beam data. Across all datasets and track geometries, it performed as well as, if not better than, the previous cluster-based algorithm, demonstrating both its robustness and the success of the modeling. The achieved dE/dx resolution is below 8% for short (cosmic ray) tracks and below 6% for long (beam) tracks, meeting the upgrade requirement of 10%. In addition, hardware work related to the commissioning of the HATPCs was carried out at CERN, including trigger configuration for cosmic ray acquisition; at J-PARC, for the installation and monitoring of the top HATPC; and at Kamioka, for the characterization campaign of photomultiplier tubes for the Hyper-Kamiokande experiment.