Détection de la diffusion cohérente élastique neutrino-noyau avec l'expérience RICOCHET à l'Institut Laue-Langevin : bruits de fond et sensibilité

Detection of the coherent elastic neutrino-nucleus scattering with the RICOCHET experiment at the Institut Laue-Langevin : backgrounds and sensitivity

• Auteur / Autrice : Guillaume Chemin
• Direction : Jacob Lamblin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique Subatomique et Astroparticules
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique Subatomique et Cosmologie

Mots clés

Mots clés libres

Physique des particules

Neutrinos

Diffusion cohérente élastique neutrino-noyau

Détecteurs cryogéniques

Bruits de fond

Nouvelle physique

Particle physics

Neutrinos

Coherent elastic neutrino-nucleus scattering

Cryogenic detectors

Backgrounds

New physics

Résumé

Depuis leur découverte en 1956, les neutrinos ont été à l'origine de résultats fondamentaux en physique nucléaire, en physique des particules et encosmologie. Les nombreux efforts expérimentaux utilisant des sources de neutrinos et des techniques de détections variées ont conduit à deux conclusions majeures : i) les neutrinos ont une masse,et ii) ils possèdent plusieurs saveurs et ils peuvent osciller entre ces saveurs,c'est-à-dire changer de saveur. Bien que les connaissances des propriétés de cette particule ont beaucoup progressé durant les dernières décennies, le neutrino conserve encore une large part de mystère. Quelle est l'échelle et la hiérarchie des masses des neutrinos ? Les neutrinos sont-ils leur propre antiparticule ? Même une question aussi simple que le nombre de saveurs de neutrinos fait encore l'objet de débats scientifiques. Les réponses à ces questions ne concernent pas seulement la physique des neutrinos, elles sont également centrales pour la construction du modèle standard qui décrit la physique des particules et pourraient ouvrir la porte sur un changement complet de paradigme. Pour répondre à ces questions, il est indispensable de développer de nouvelles techniques expérimentales et d'explorer de nouveaux processus d'interaction. L'un de ces processus est la diffusion cohérente des neutrinos avec les noyaux. Prédite il y a 40ans, cette diffusion élastique induit par interaction faible des reculs nucléaires de l'ordre du keV. Grâce au phénomène de cohérence, sa section efficace est proportionnelle au carré du nombre de nucléons,suggérant que même une expérience à l'échelle du kilogramme pourrait observer un signal neutrino significatif. Cela ouvre la possibilité de sonder le secteur des neutrinos avec des expériences de taille beaucoup plus petites que les expériences actuelles à l'échelle de la tonne. La condition de cohérence,c'est-à-dire une longueur d'onde de diffusion plus grande que la taille des noyaux, est remplie pour quasiment tous les noyaux lorsque l'énergie des neutrinos est inférieure à 10 MeV. De tels neutrinos sont produits abondamment dans le Soleil et dans les réacteurs nucléaires. En août 2017, l'expérience COHERENT située auprès de la source de neutrino de spallation à Oak Ridge, émettant des neutrinos de relativement haute énergie (jusqu'à environ 50 MeV), a rapporté la première observation de la diffusion cohérente de neutrinos. Ce premier résultat a été obtenu sur des détecteurs CSI[Na] cumulant une masse totale cible de 14.6 kg avec un seuil en énergie d'environ 4.25keV. Même si cette détection a une sensibilité limitée à de la nouvelle physique, car la plupart des scenarii de nouvelle physique induisent des déformations du spectre à basse énergie (<100eV), elle a prouvé l'existence de ce nouveau canal de détection qui ouvre la porte à une grande variété d'opportunités scientifiques. Du point de vue astrophysique — comme la diffusion cohérente est le processus dominant à basse énergie, elle régit la dynamique de l'explosion des Supernovae et donc l'éjection de matière vers l'extérieur. De plus, comme elle constitue le bruit de fond ultime de la détection directe de matière noire, une mesure et une compréhension claire de la diffusion cohérente est indispensable pour valider à la fois les modèles de bruit de fond et de réponse de la prochaine génération des détecteurs de matière noire. Du point de vue de la physique des particules — la diffusion cohérente permettrait de sonder la physique au-delà du modèle standard : mettre en évidence l'existence de neutrinos stériles, chercher de nouveaux médiateurs massifs et enfin, contraindre avec une grande précision la possibilité d'interactions non-standard dans le secteur électrofaible, motivées par de nombreux développements théoriques et qui pourraient mener à des dégénérescences dans l'exploration de la hiérarchie des masses de neutrino avec les futures expériences d'oscillation à grande distance telle DUNE. Grâce à ce programme scientifique extrêmement riche et encouragé par la première détection, la diffusion cohérente des neutrinos est l'objet d'efforts expérimentaux mondiaux avec plusieurs expériences dédiées en cours ou prévues. La plupart de ces expériences sont ou seront situées près de réacteurs nucléaires, qui émettent des neutrinos de relativement basse énergie (<10MeV). Certains de ces projets se focalisent sur la recherche de physique au-delà du modèle standard avec des seuils en énergie inférieurs à 100eV : CONNIE utilisant des CCDs et les projets NUCLEUS, MINER et RICOCHET utilisant des bolomètres cryogéniques. Dans ce contexte à forte compétition internationale, l'objectif principal du projet RICOCHET est de délivrer la première mesure à très basse énergie (<100eV) et de haute précision, au niveau du pourcent, de la diffusion cohérente des neutrinos. Pour ce faire, RICOCHET propose d'installer un détecteur bolométrique auprès du réacteur de l'Institut Laue Langevin (ILL) de Grenoble. Bien qu'il constitue une source de neutrinos plus faible que des réacteurs commerciaux, ce réacteur de recherche permet de positionner le détecteur à très courte distance. L'expérience RICOCHET pourra également bénéficier des résultats de l'expérience STEREO, une expérience de recherche de neutrinos stériles, actuellement en prise de données à l'ILL, dans laquelle l'équipe neutrino du LPSC a joué un rôle central. STEREO a, d'une part, permis d'acquérir beaucoup de connaissances sur le bruit de fond environnant et d'autre part, publiera prochainement le spectre en énergie des neutrinos émis, mesuré avec une précision de l'ordre du pourcent. Le début de la prise de données est prévu dès 2023, ce qui positionnerait idéalement le projet RICOCHET parmi les autres projets concurrents. Cette thèse dédiée au projet RICOCHET comportera plusieurs aspects : - L'estimation du bruit de fond interne, à l'aide de simulations Monte-Carlo (code GEANT4), des résultats de l'expérience STEREO et des mesures sur site; - La conception du veto muon, permettant de rejeter les événements associés à des rayons cosmiques; - L'étude de la sensibilité de l'expérience, à partir des points précédents; - La mise en place et le démarrage de l'expérience - L'obtention des premiers résultats afin de valider le dispositif expériental et effectuer les premières analyses de physique.

The future RICOCHET neutrino experiment, to be deployed at the Institute Laue Langevin (ILL) research nuclear reactor, aims to exploit the Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CENNS) process to search for new physics in the electroweak sector. The RICOCHET experiment will use a kg-scale cryogenic detector array, composed of 30g-scale individual Ge and Zn crystals, with unparalleled particle identification capabilities down to the demonstrated 50 eV energy threshold. Thanks to these unique detector performance, RICOCHET will have an unprecedented sensitivity to CENNS induced nuclear recoils down to the sub-100 eV energy range, where signs of new physics are expected to arise. I. The RICOCHET experiment The measurement of the Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CENNS) has been a holy grail in neutrino physics since its prediction almost 40 years ago until its discovery in 2017 by the COHERENT experiment. This elastic scattering, inducing sub-keV nuclear recoils, proceeds via the neutral weak current and benefits from a coherent enhancement proportional to the square of the number of neutrons in the nucleus, suggesting that even a kg-scale experiment will observe a sizable neutrino signal. This opens the possibility to probe the neutrino sector with orders of magnitude smaller experiments than current and planned kiloton-scale ones with a new approach. The full coherence condition, when the wave length of the scattering is longer than the size of the nucleus, is guaranteed for nearly all nuclear targets when neutrino energies are below ~10 MeV. Such neutrinos are produced in copious amounts in the Sun and at nuclear reactors. The search for physics beyond the Standard Model with CENNS requires to measure with the highest level of precision the lowest energy range of the induced nuclear recoils, as most exotic physics signatures induce energy spectral distortions in the sub-100 eV region. By providing the first percentage-level precision CENNS measurement down to O(10)eV, thanks to next generation cryogenic bolometers with very low-energy threshold, the RICOCHET collaboration aims at testing various exotic physics scenarios. These include for instance the existence of sterile neutrinos and of new mediators, that could be related to the long lasting Dark Matter problem, and the possibility of Non Standard Interactions that would dramatically affect our understanding of the electroweak sector. The key feature of the RICOCHET program, compared to other planned or ongoing CENNS projects, is to aim for a kg-scale experiment with unparalleled background rejection capabilities down to the demonstrated 50 eV energy threshold. The background rejection, based on particle identification, will be done thanks to the simultaneous heat and ionization measurements and pulse shape discrimination in semi - and super - conducting detectors respectively. This way, the largely dominating electromagnetic background (gammas, betas, low-energy X-rays), producing electronic recoils (ER) in the target medium, can be unambiguously discriminated from the CENNS-induced nuclear recoils (NR). Another objective, is to combine two monolithic targets (Ge and Zn) and cryogenic detector techniques to benefit from both target complementarity and reduced systematics in the quest of new physics. To that end, the collaboration is developing two arrays of highly-performing cryogenic bolometers, namely the CryoCube (Ge) and the Q-Array (Zn). Then, the RICOCHET cryogenic detector assembly consists of a total array of 36 bolometers of about 30g each, leading to a total payload of~1.3kg. This thesis dedicated to the RICOCHET project will look into these following points : - Background estimations using Monte-Carlo simulations (GEANT4 code), results from the STEREO experiment and on-site measures; - Conception of the muon veto, essential to reject events associated with cosmic rays inside the detector; - The study of the experimental sensitivity, with the help of the previous points; - The installation and the launch of the experiment; - Obtaining the first results to validate the experimental setup and analyse the first physics results.