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 : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique subatomique et astroparticules
• Date : Soutenance le 16/12/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble, Isère, France ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Johann Collot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christine Marquet, Aurélie Bonhomme, Guillaume Pignol
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Lhuillier, Frédéric Yermia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Institut Max von Laue-Paul Langevin (Grenoble, Isère, France ; 1967-....)

Détecteurs cryogéniques

Neutrinos

Particules (physique)

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

La diffusion cohérente élastique neutrino-noyau est un processus du Modèle Standard de la physique des particules dans lequel un neutrino de faible énergie interagit avec un noyau atomique dans son ensemble via l'échange d'un boson Z, médiateur neutre de l'interaction faible. Cette interaction induit un recul du noyau diffusé à des énergies très faibles, de l'ordre du keV. Une déformation du spectre en énergie de recul serait la signature de physique au-delà du modèle standard, comme par exemple, l'existence d'un nouveau boson d'interaction.L'expérience RICOCHET vise à mesurer avec précision la diffusion cohérente des antineutrinos émis par le réacteur de recherche de l'Institut Laue-Langevin (ILL) avec un ensemble de calorimètres cryogéniques semi-conducteurs et supraconducteurs. L'ensemble des détecteurs est protégé du bruit de fond ambiant par des blindages passifs, comportant plusieurs couches de différents matériaux pour arrêter les rayonnements gammas et neutrons, et un blindage actif, le veto muon, permettant de rejeter les événements induits par les muons. Après plusieurs années de préparation, l'expérience a commencé à prendre ses premières données début 2024 afin de valider le dispositif expérimental.Les travaux de cette thèse ont porté sur trois aspects de l'expérience. Une première partie des travaux a concerné la simulation et l'estimation des bruits de fond de l'expérience, en l'occurrence les bruits de fond d'origine cosmogénique et réactogénique. Dans un premier temps, il a fallu concevoir la géométrie optimale du veto muon permettant de minimiser le bruit de fond cosmogénique tout en limitant le temps mort induit. Une fois la géométrie définie, les taux d'événements cosmogéniques et réactogéniques dans le veto muon et leur répartition spatiale ont pu être prédits et confrontés aux premières mesures sur site. Par ailleurs, les taux d'événements de bruit de fond ont également pu être estimés, avec différents critères de sélection. Ainsi, il a été possible de quantifier l'impact du veto muon sur la réduction du bruit de fond cosmogénique. Au final, les taux d'événements de bruit de fond résiduels et le temps mort induit par le veto muon apparaissent suffisamment faibles pour envisager la détection de la diffusion cohérente des neutrinos.La deuxième partie des travaux a consisté à caractériser le veto muon de l'expérience, notamment pour en vérifier les performances. Pour cela, une série de mesures a été effectuée afin de caractériser individuellement chacun des panneaux scintillateurs composant le veto muon. Ces mesures ont permis de déterminer la réponse des scintillateurs et d'effectuer un étalonnage en énergie, ainsi que de déterminer l'efficacité de détection des muons. Globalement, l'efficacité de tous les panneaux est supérieure à 95%, ce qui est conforme au cahier des charges. Ensuite, la partie supérieure du veto muon a pu être testée sur le site de l'ILL afin, notamment, de mesurer les flux cosmogéniques et réactogéniques. Les taux mesurés ainsi que leur répartition spatiale est en très bon accord avec la simulation, ce qui permet de valider le programme de simulation utilisé.Enfin, la dernière partie des travaux a porté sur l'estimation de la sensibilité de l'expérience à la diffusion cohérente des neutrinos et aux différents canaux de nouvelle physique. Pour cela, une méthode statistique basée sur un ratio de vraisemblance profilé a été développée. Elle utilise les sections efficaces théoriques, les résultats de la simulation ainsi que les performances mesurées ou attendues des détecteurs, pour quantifier la sensibilité en fonction du nombre de jours de données. Il apparaît que RICOCHET peut atteindre une sensibilité de 5 sigmas avec un cycle réacteur de 50 jours. Enfin, pour chacun des canaux de nouvelle physique, la sensibilité après 300 jours d'acquisition a été comparée aux autres expériences démontrant que RICOCHET se place parmi les projets les plus compétitifs.

Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CENNS) is a process of the Standard Model (SM) of particle physics in which a low-energy neutrino interacts with an atomic nucleus as a whole via the exchange of the weak neutral current mediator, the Z boson. This process induces a keV-scale low energy recoil of the scattered nucleus. A deformation of the recoil energy spectrum could be the signature of new physics, beyond the SM, such as the existence of a new mediator.The RICOCHET experiment aims to mesure the CENNS from reactor antineutrinos produced by the Institut Laue-Langevin with great precision using cryogenic semiconductor and superconducting calorimeters. The detectors are protected from ambient radioactive backgrounds with multi-layered passive shieldings to stop gamma rays and neutrons, and an active muon veto allowing to reject coincidences and muon-induced events. After several years of preparation, the experiment started taking data on-site in early 2024 to validate the experimental setup.The work of this thesis focuses on three aspects of the experiment. A first part of the work is related to the simulation framework and the estimation of the backgrounds of the experiment, more precisely the cosmogenic and reactogenic radioactive backgrounds. First, the design of the geometry of the muon veto was optimized to minimize the cosmogenic background while limiting the induced dead time. Once the geometry was defined, the cosmogenic and reactogenic event rates and their spatial distributions were predicted and compared to the first data taken on-site. Furthermore, the background rates in the detectors were estimated with different selection criteria. Thus, it was possible to quantify the impact of the muon veto on the reduction of the cosmogenic background. Ultimately, the residual background event rates and the dead time induced by the muon veto appeared sufficiently low to allow the measurement of the CENNS process.The second part of the work consisted in the characterization of the muon veto, in particular to verify its performances. A first set of measurements was carried out to characterize individually each scintillating panels of the muon veto system. These measurements allowed to determine the panels' response and calibrate them, as well as determine the muon detection efficiency. Overall, the efficiency of all the panels is greater than 95%, which complies with our specifications. Then, the upper part of the muon veto system was tested at the ILL site to mesure the cosmogenic and reactogenic fluxes. The measured event rates and their spatial distribution are in good agreement with the simulated data, validating our simulation framework.Finally, the last part of this work focused on the estimation of the sensitivity of the experiment to the CENNS process and different new physics scenarios. For this, a statistical method based on a profiled likelihood ratio was developed. It uses the theoretical cross sections, the simulation results as well as the expected performances of the detectors, to quantify the sensitivity as a function of the exposure. It shows that the RICOCHET experiemnt could reach a 5 sigma sensitivity to the CENNS process with a 50-day reactor cycle. Finally, for each of the new physics scenarios, the sensitivity at 300-day exposure with the reactor ON was compared to other experiments demonstrationg the competitiviness of the RICOCHET experiment.