Anomalie des antineutrinos de réacteurs : recherche d’un état stérile avec l’expérience STEREO

Reactor Antineutrino Anomaly : search for a sterile state with the STEREO experiment

• Auteur / Autrice : Aurélie Bonhomme
• Direction : Alain Letourneau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 26/09/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de Physique Nucléaire (Saclay)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Andrea Giuliani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Letourneau, Andrea Giuliani, Fabrice Piquemal, Davide Franco, Mathieu Bongrand, Manfred Lindner
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Piquemal, Davide Franco

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement cosmique

Particules (physique)

Comptage à scintillateur liquide

Oscillations des neutrinos

Mots clés libres

Stereo

Neutrinos de réacteurs

Oscillations

Stérile léger

Liquide scintillant

Bruit de fond cosmique

Stereo

Reactor neutrinos

Oscillations

Light sterile state

Liquid scintillator

Cosmic background

Résumé

L’anomalie des antineutrinos de réacteurs (RAA) a été révélée en 2011 suite à une réévaluation de la prédiction des spectres associés. Elle indique un déficit de 6% dans les taux mesurés auprès de réacteurs. Une explication consiste en l’introduction d’un neutrino stérile à l’eV, ne se manifestant que par le mécanisme d’oscillations. L’expérience STEREO a été conçue pour explorer l’espace des paramètres d’oscillations indiqués par la RAA, en plaçant une cible segmentée à 10 m du cœur quasiment pur en uranium 235 de l’ILL, à Grenoble. Les antineutrinos sont détectés par désintégration bêta inverse (IBD) dans du liquide scintillant dopé au gadolinium. Si elle existe, une oscillation se développerait alors le long des six cellules identiques de la cible. La comparaison relative de leurs spectres d’antineutrinos en énergie permet de tester l’hypothèse d’une oscillation en s’affranchissant des prédictions et avec des incertitudes systématiques réduites. Les forts rendements lumineux des liquides permettent d’atteindre de bonnes résolutions en énergie, nécessaires pour la sensibilité de la mesure. Les cellules sont séparées optiquement par des plaques hautement réfléchissantes; cette technologie a été validée sur cellule prototype dans un premier temps lors de cette thèse. Un modèle effectif pour ces parois optiques a été inclus à la simulation, et les détails de la géométrie ont été implémentés. La deuxième partie de ce travail est orientée vers l’analyse des données. La signature de l’IBD est un signal en deux temps, requérant un algorithme de recherche de paires pour extraire les candidats antineutrino. Le programme dédié est optimisé pour l’application de sélections d’isolations temporelles, permettant de se débarrasser de la majeure partie du bruit de fond d’origine cosmique. Le bruit de fond corrélé résiduel dans la région d’intérêt provient de désintégrations de muons et de réactions induites par des neutrons. Une modélisation des figures de discrimination en forme des signaux (PSD) de ce bruit de fond est employée pour extraire le signal antineutrino. Basée sur les spectres qui en résultent, les premières analyses d’oscillations de STEREO rejettent le meilleur ajustement de la RAA à 98% de niveau de confiance.

The Reactor Antineutrino Anomaly (RAA) was highlighted in 2011, when a reevaluated prediction of reactor antineutrinos spectra showed a 6% deficit in the rates observed by previous reactor experiments. A possible explanation for this anomaly consists in introducing a sterile neutrino state at the eV mass scale, participating to the neutrino oscillations mecanism only. The STEREO experiment has been designed to probe the phase-space region indicated by the RAA, by placing a segmented antineutrino target at 10m from the virtually pure uranium 235 compact core of the ILL research reactor facility, in Grenoble. Antineutrinos are detected via inverse beta decay (IBD) in gadolinium-doped liquid scintillator. An oscillation pattern - if any - would develop along the six identical target cells. The relative comparison of their energy distributions allows to test the sterile neutrino hypothesis with reduced systematic uncertainties and without referring to an external prediction. High light yields of the liquids enable to reach good energy resolutions, needed for the sensibility of the measurement. Cells are optically separated thanks to highly reflective plates; this technology has been validated on a prototype cell in the first stage of this thesis. An effective model of these walls has been included in the simulation, and details of the geometry have been carefully implemented. The second part of this work focuses on data analysis. The IBD signature is a two-fold signal, requiring a proper pair search algorithm for extracting the antineutrinos candidates. The dedicated software is optimized to apply specific temporal isolation selections, which allow to get rid of the majority of the background produced by cosmic events. The residual correlated background in the region of interest comes from muon decays and neutron induced reactions. A modelisation of the Pulse Shape Discrimination (PSD) distributions of this background is used to extract the antineutrino signal. Based on the resulting spectra, the first STEREO oscillation analysis rejects the RAA best fit point at 98% of confidence level.