Etude des oscillations de neutrinos à très courtes distances dans le détecteur STEREO à l'ILL, et calibration de celui-ci.

Very short baseline neutrino oscillations study with the STEREO detector at ILL; calibration of the STEREO detector

• Auteur / Autrice : Loic-rene Labit
• Direction : Dominique Duchesneau
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique Subatomique et Astroparticules
• Date : Soutenance en 2021
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique des Particules
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Jézéquel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cécile Jollet, Laurent Simard, Alessandra Tonazzo, Carlo Giunti, David Lhuillier, Dominique Duchesneau, Pablo Del Amo Sanchez
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Cécile Jollet, Laurent Simard

Mots clés

Mots clés libres

Neutrino

Calibration

Stérile

Oscillation

Sterile

Calibration

Neutrino

Oscillation

Résumé

Au cours des dernières décennies, plusieurs paramètres décrivant les oscillations de neutrinos ont été mesurés grâce aux expériences de neutrino auprès des réacteurs, le dernier étant la détermination très précise de l'angle de mélange theta_{13}. Cependant, à la suite de la réévaluation des flux d'antineutrino des réacteurs en 2011, un déficit de 6% entre flux observé et flux prédit, nommé Anomalie des Antineutrinos de Réacteur (RAA), a été constaté. 
L'anomalie des antineutrinos de réacteur pourrait être expliquée par l'addition d'un quatrième état de masse du neutrino permettant une oscillation encore inobservée. Puisqu'un quatrième état actif du neutrino serait en désaccord avec la largeur de désintégration du boson Z mesuré au LEP, ce neutrino additionnel ne peut pas interagir par interaction faible, il est donc qualifié de « stérile ». Le meilleur ajustement des paramètres d'oscillation expliquant la RAA est un angle de mélange sin2(2theta) =0.17 et un écart de masse Delta m^{2}_{41}=2.3 eV^{2}. L'expérience STEREO a été conçue pour tester cette hypothèse d'oscillation indépendamment des prédictions de flux ou de spectre, en utilisant les antineutrinos émis par le cœur compact du réacteur de recherche de l'Institut Laue-Langevin à Grenoble. 
La cible, située à environ 10 m du cœur du réacteur est segmentée en 6 cellules, permettant une mesure des spectres en énergies des antineutrinos à plusieurs distances [9-11m], une oscillation vers un neutrino stérile modifierait différemment le spectre mesuré dans chaque cellule. 
La détection des antineutrinos dans STEREO se base sur le processus de désintégration bêta inverse dans un liquide scintillant dopé au gadolinium. 
La compréhension fine de la réponse du détecteur est cruciale pour la mesure des spectres en énergie des neutrinos et leur analyse. 

Dans la première partie de cette thèse, nous présentons une étude de la non-linéarité de la réponse du détecteur. La non-linéarité de la réponse est examinée avec des sources radioactives émettrices de particules gamma à différentes énergies. En particulier, la source AmBe, qui est également émettrice de neutrons, permet d'évaluer la réponse à haute énergie. Nous décrivons une procédure permettant de réduire le bruit de fond neutron de cette source. Un accord entre données et simulation de la non-linéarité du détecteur meilleur que le pourcent a été atteint. 
 Dans une seconde partie, une modélisation analytique de la réponse du détecteur est présentée. La réponse du détecteur est caractérisée par un petit nombre de paramètres, ce qui amène une plus grande souplesse pour étudier les effets d'un changement de réponse ou d'un étalonnage erroné de la réponse du détecteur, dans le cadre de l'extraction des paramètres d'oscillation. Dans ce cadre, l'inclusion des incertitudes systématiques sur la réponse du détecteur est facilitée. En particulier, les événements du bore cosmogénique sont utilisés comme échantillon de contrôle pour estimer les incertitudes systématiques sur l'échelle en énergie du détecteur. Finalement, une analyse des données neutrino indépendante des prédictions est réalisée pour extraire les données d'oscillation en utilisant le modèle analytique de la réponse du détecteur. Une analyse statistique du signal est faite pour produire les contours d'exclusion de l'espace des paramètres d'oscillation, en utilisant l'approche bidimensionnelle des intervalles de confiance de Feldman-Cousins. Dans le contexte de la recherche d'une oscillation de neutrino, les conditions pour appliquer la loi normale de χ² ne sont pas vérifiées, par conséquent, les distributions de χ² sont calculées en générant de nombreuses pseudo-expériences. 
L'hypothèse de non-oscillation n'est pas rejetée, mais le meilleur ajustement de la RAA est exclu à 99% de niveau de confiance.

During the last decades, several parameters describing the neutrino oscillation phenomenon have been characterized thanks to reactor neutrino experiments, in particular with the precise measurement of the mixing angle theta_{13}. However, following a reactor antineutrino flux re-estimation in 2011, a 6% deficit, known as the Reactor Antineutrino Anomaly, between measured and predicted reactor antineutrino fluxes, has been observed. The Reactor Antineutrino Anomaly (RAA) could be explained by the addition of a fourth neutrino mass eigenstate resulting in a yet unobserved oscillation. Since a fourth active neutrino would be in disagreement with the Z boson decay width measurement performed at LEP, this additional neutrino can not couple through weak interactions and is therefore called a “sterile” neutrino. The oscillation parameters that best explain the RAA are a mixing angle value of sin2(2theta) =0.17 and a mass splitting value of Delta m^{2}_{41}=2.3 eV^{2}. The STEREO experiment was designed to test this oscillation hypothesis independently of predicted antineutrino spectra and fluxes, using the antineutrinos emitted by the compact core of the research reactor at the Laue-Langevin Institute in Grenoble, France. The target, located at about 10 m from the core, is segmented into six cells, allowing for a measurement of the antineutrino energy spectrum at various baselines [9-11m], sensitive to the oscillation toward a sterile neutrino that would distort each cell's spectrum differently. The detection of the antineutrinos is based on the Inverse Beta Decay (IBD) process in a gadolinium-doped liquid scintillator. The precise understanding of the detector response is paramount to the measurement and the analysis of the neutrino spectra. In the first part of this thesis, we will present a study of the non-linearity of the detector response. The non-linearity of the detector response is investigated with radioactive calibration sources emitting gamma particles at various energies. In particular, an AmBe source, which is also a neutron emitter, allows to probe the response at high energy. We will describe a procedure that permits a reduction of the neutron background of this source. A sub-percent agreement between data and simulation of the detector non-linearity has been reached. In a second part, an analytical modelisation of the detector response is presented. The detector response is characterised by a limited number of parameters. The small number of parameters brings more flexibility to study the effect of a change or miscalibration of the detector response on the extraction of the oscillation parameters. The inclusion of systematic uncertainties on the detector response is facilitated in this framework. In particular, cosmogenic Boron events are used as a control sample to estimate systematic uncertainties on the detector energy scale. Finally, a prediction independent analysis of the neutrino data is performed to extract the oscillation parameters using the analytical model of the detector response. A statistical analysis of the signal significance is made to produce the excluded area of the oscillation parameter space using a 2-dimensional Feldman-Cousins confidence interval approach. In the context of neutrino oscillation searches, the normal χ² law conditions are not met, hence the χ² distributions are computed by generating numerous pseudo-experiments. The no-oscillation hypothesis is not rejected, however the best-fit point of the RAA is excluded at 99% confidence level.