Préparation de la mise à niveau du détecteur proche ND280 de l'expérience T2K : développement de l'analyse et de la reconstruction pour les High-Angle TPC et validation de GUNDAM, un nouveau fitter pour le détecteur proche

Preparation for the ND280 near detector upgrade of the T2K experiment : development of the analysis and reconstruction for High-Angle TPCs and validation of GUNDAM, a new near detector fitting framework

• Auteur / Autrice : Uladzislava Yevarouskaya
• Direction : Claudio Giganti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'Univers
• Date : Soutenance le 06/10/2023
• 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 : Equipe de recherche : Laboratoire Physique nucléaire et hautes énergies (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Trincaz-Duvoid
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andrea Longhin, João Pedro Athayde Marcondes De André, Sara Bolognesi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anselmo Meregaglia, Anselmo Cervera Villanueva

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs de traces (physique nucléaire)

Hadrons

Chambres à projection temporelle (physique)

Neutrinos -- Interactions

Oscillations des neutrinos

Mots clés libres

T2K expérience

Physique des neutrinos

Physique des particules

TPC

T2K experiment

Neutrino physics

Particle physics

TPC

Résumé

L'expérience T2K, située au Japon, est l'une des principales expériences sur les neutrinos à longue base. Son objectif principal est de mesurer les paramètres d'oscillation des neutrinos en comparant les données des détecteurs proche et lointain séparés par 295 km. Récemment, T2K est entré dans sa phase de mise à niveau, impliquant des améliorations des principaux composants : le faisceau, le détecteur proche hors axe ND280 et le détecteur lointain Super-Kamiokande (SK). L'amélioration du ND280 vise à accroître l'efficacité de la reconstruction des hadrons et à fournir une acceptation 4pi des traces sortant d'une interaction de neutrinos. Elle comprend le remplacement du détecteur P0D par la cible hautement segmentée Super-FGD entourée de deux TPC à grand angle (HA-TPCs) et de six plans de temps de vol (TOF). Ce manuscrit est consacré à la préparation de la mise à niveau du détecteur proche ND280 et se concentre sur la validation du nouveau cadre d'ajustement global des données, GUNDAM, ainsi que sur la caractérisation des HA-TPC et le développement du software correspondant. Le nouveau cadre d'ajustement global des données du détecteur proche, GUNDAM, développé dans le cadre de la mise à niveau du ND280, a été validé par rapport au cadre précédent, BANFF, en utilisant l'analyse d'oscillation T2K avec la configuration actuelle du ND280 et les données d'Oscillation Analyse (OA) 2022. GUNDAM a démontré une performance comparable à BANFF avant l'ajustement et des différences mineures dans la comparaison après l'ajustement, attribuées au comportement de certains paramètres pendant l'ajustement. Les HA-TPC, composants essentiels de la mise à niveau du ND280, ont fait l'objet d'une caractérisation en termes de dE/dx et de résolution spatiale à l'aide de données de faisceaux test. Les résultats ont montré une excellente résolution dE/dx (< 10 %) et une excellente résolution spatiale (< 0.8 mm) pour toutes les configurations et tous les types de traces, répondant ainsi aux exigences de la mise à niveau du détecteur ND280. En outre, une méthode d’identification des particules PID dE/dx a été développée pour les HA-TPC et intégrée dans le logiciel officiel T2K ND280. L'évaluation à l'aide d'événements simulés a montré une séparation de > 4 sigmas entre les muons et les électrons, confirmant l'efficacité de la méthode.

The T2K experiment, located in Japan, is one of the leading long-baseline neutrino experiments. Its primary objective is to measure neutrino oscillation parameters by comparing data at the near and far detectors separated by 295 km. Recently, T2K entered its upgrade phase, involving enhancements to the main components: the beam, off-axis near detector ND280, and far detector Super-Kamiokande (SK). The ND280 upgrade is aimed at increasing the efficiency in reconstructing hadrons and providing a 4pi acceptance of tracks exiting a neutrino interaction. It includes replacing the P0D detector with the highly segmented target Super-FGD surrounded by two High-Angle TPCs (HA-TPCs) and six Time Of Flight (TOF) planes. This manuscript is dedicated to the preparation for the near detector ND280 upgrade and focuses on the validation of the new fitting framework, GUNDAM, along with HA-TPCs characterization and corresponding software development. The newly near detector fitting framework, GUNDAM, developed as a part of the ND280 upgrade, was validated against the previous framework, BANFF, using T2K oscillation analysis with the current ND280 configuration and Oscillation Analysis (OA) 2022 data. GUNDAM demonstrated comparable pre-fit performance to BANFF and minor differences in post-fit comparison, attributed to the behavior of certain parameters during the fit. The HA-TPCs, essential components of the ND280 upgrade, underwent characterization in terms of dE/dx and spatial resolution using test beam data. The results showed excellent dE/dx resolution (< 10 %) and spatial resolution (< 0.8 mm) across all setup configurations and track types, meeting ND280 detector upgrade requirements. Additionally, a particle identification (PID) dE/dx method was developed for HA-TPCs and integrated into the official T2K ND280 software. Evaluation using simulated events exhibited a > 4 sigmas separation between muons and electrons, confirming the method's effectiveness.