Construction du module 0 de la TPC à dérive verticale de DUNE ; analyse des données de tests en faisceaux et sensibilité aux neutrinos atmosphériques.

Construction of the DUNE vertical drift TPC module 0 ; test beam data analyses and atmospheric neutrino sensitivity.

• Auteur / Autrice : Joshua Pinchault
• Direction : Johann Collot, Dominique Duchesneau
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique Subatomique et Astroparticules
• Date : Inscription en doctorat le 03/10/2022
• 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 Cosmologie

Mots clés

Mots clés libres

Neutrinos

Physique des particules

TPC à argon liquide

Neutrinos

Particle Physics

Liquid argon TPC

Résumé

L'expérience Deep Underground NEutrino aux États-Unis vise à découvrir la violation de CP dans le secteur leptonique dans les dix à quinze prochaines années, en utilisant une technologie de détection à haute résolution, un faisceau de neutrinos à large bande et une longue base de vol (1300 km). Le site de détection lointain de DUNE est installé dans la Sanford Underground Research Facility à 1300 km à l'ouest du Fermi National Laboratory où le faisceau de neutrinos à large bande est produit. Cette installation souterraine de 1500 m de profondeur a la capacité d'accueillir à terme 4 grands détecteurs de neutrinos dans deux cavernes de 145 x 20 x 28 m3 de volume chacune. Concernant les deux premiers détecteurs, sur la base de l'expérience acquise dans de nombreuses expériences et programmes de R&D en Europe et aux États-Unis, la technologie de chambre à projection temporelle (TPC) à argon liquide monophasé a été sélectionnée. Une première TPC de 17,5 kt (masse effective de 10 kt) utilisant un champ de dérive horizontale est déjà en construction. Une deuxième TPC basée sur les résultats du programme européen de R&D développé sur la plate-forme de neutrinos du CERN a récemment été approuvée. Son concept repose sur un champ de dérive verticale (VD) qui présente l'avantage de fournir un accès complet à la moitié de l'électronique (du dessus) pendant le fonctionnement du détecteur. De plus, les plans de collecte de charge sont constitués de cartes de circuits imprimés (PCB), une technologie simple et disponible industriellement qui facilitera la production en série et réduira le coût du projet. Ce projet est financé en tant qu'infrastructure majeure de recherche par le CNRS (IR*), bénéficie d'un soutien essentiel du CERN (plate-forme neutrino) et bénéficie d'une grande synergie collaborative de trois laboratoires IN2P3 Rhône-Alpes : IP2I (Lyon), LAPP (Annecy) et LPSC (Grenoble). Le LAPP et LPSC sont responsables de l'assemblage du plan de détection supérieur qui est composé de 80 unités de lecture de charge (CRP). Une unité CRP est composée de 2 circuits imprimés qui comportent 4 couches métallisées offrant quatre fonctions de lecture de charge : blindage de protection contre les décharges, deux vues de lecture par induction des positions croisées des charges et une collecte de charge finale. Plusieurs prototypes de CRP ont été testés avec succès au cours des dernières années au CERN. IP2I a été responsable de la conception et de la construction de l'électronique du plan de détection supérieur, et a été profondément impliqué dans le système DAQ de la plate-forme neutrino. Au cours des 18 prochains mois, l'objectif du consortium VD TPC est d'optimiser la géométrie de la conception de la VD TPC, de tester tous les composants finaux, de construire et d'exploiter au CERN - avant fin 2023 - un module 0 avec deux CRP supérieurs équipés de l'électronique finale. Sous la co-direction de Johann Collot (LPSC), de Dominique Duchesneau (LAPP) et de Laura Zambelli (LAPP) le doctorant participera à ce vaste programme expérimental qui comprend de la simulation physique, un important travail instrumental, de la construction, la participation aux activités de test des faisceaux et de l'analyse de données.

The Deep Underground Neutrino Experiment in the US (together with the Hyper Kamiokande project in Japan) aims at discovering the CP violation in the leptonic sector within the next ten to fifteen years, using a high-resolution detector technology, a wide-band neutrino beam and a long flight baseline (1300 km). As the PMNS mixing is of bigger amplitude and features more balanced coefficients across the three neutrino families, the leptonic CP violation effect is expected to be potentially much bigger than the CKM one, if the PMNS CP phase turns out to be non zero. The T2K (Tokai-toKamiokande) collaboration already reported a non zero indication at a two sigma confidence level , which is however in tension with the results of the NOvA experiment in the US that exploits a longer neutrino baseline, and therefore is more sensitive to matter effects. Given the potential importance of the lepton CP violation in solving the matter-over-antimatter predominance enigma, this clearly calls for two experiments with short and long baselines, different neutrino beams and detection technologies. The DUNE science program will also address the neutrino mass hierarchy, the observation of supernova neutrino bursts ; will also extend the search for the proton decay and provide further measurements of atmospheric and solar neutrinos. The far DUNE detection site is located at Sanford Underground Research Facility (SURF) in South Dakota , 1300 km away from Fermi National Laboratory (FNAL) where the wide-band muon (antimuon) neutrino beam is produced. This 1500 m deep underground facility has the capacity to eventually host 4 big neutrino detectors in two caverns of 145 x 20 x 28 m3 in volume each. For the two first detectors, based on the experience gained in many experiments and R&D programs in Europe and the US, the single-phase liquid argon Time Projection Chamber (TPC) technology was selected. A first TPC of 17.5 kt (10 kt fiducial mass) using a horizontal drift field is already under construction. A second TPC based on the results of the European R&D program developed at the CERN neutrino platform was recently approved . Its concept relies on a vertical drift (VD) field that has the advantage to provide full access to half the electronics (on the top) during detector operation. Moreover the charge collection planes are made of Printed Circuit Boards (PCB), a simple and commercial technology that will ease the mass production and lower the cost of the project. The TPC active internal dimensions are 15 x 14 x 62 m3. This project is funded as a major research infrastructure by CNRS (IR*), receives an essential support by CERN (neutrino platform) and benefits from a big collaborative synergy of three Rhône-Alpes IN2P3 laboratories : IP2I (Lyon), LAPP (Annecy) and LPSC (Grenoble). LAPP and LPSC are responsible for the assembly of the top detector which is made of 80 Charge Readout Plane (CRP) units. A CRP unit is made of 2 PCBs that feature 4 metallized layers providing four charge readout functions : discharge protection shielding, two charge crossed-position inductive readout views and a final charge collection. Several CRP prototypes have been successfully tested over the past years at CERN. IP2I has been responsible of the design and construction of the top detector electronics, and was deeply involved in the DAQ system of the neutrino platform. Within the next 18 months the goal of the VD TPC consortium is to optimize the geometry of the VD TPC design, test all the final components, build and operate at CERN - before end-2023 - a module 0 with two top CRPs equipped with the final electronics. Under the co-supervision of Johann Collot (LPSC), Dominique Duchesneau (LAPP), and Laura Zambelli (LAPP) the PhD student will participate to this vast experimental program that includes physics simulation, instrumental work, construction, participation to test beam activities and data analysis.