Première mesure de l'apparition des neutrino tau, de la non-unitarité de la matrice de mélange et de l'orientation absolue dans KM3NeT

First tau neutrino appearance, non-unitarity mixing and absolute orientation measurements in KM3NeT

• Auteur / Autrice : Luc Cerisy
• Direction : Jurgen Brunner, Vincent Bertin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : PHYSIQUE DES PARTICULES ET ASTROPARTICULES
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CPPM - Centre de Physique des Particules de Marseille
• Jury : Président / Présidente : Cristinel Diaconu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jurgen Brunner, Sebastian BöSER, Corinne Goy, Vincent Bertin, Ana Teixeira, Anca Tureanu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sebastian BöSER, Corinne Goy

Mots clés

Mots clés libres

Unitarité

KM3NeT

Ombre du soleil

Tau neutrino

Oscillations

Orientation absolue

Unitarity

KM3NeT

Sun shadow

Tau neutrino

Oscillations

Absolute orientation

Résumé

Cette thèse présente des avancées dans la calibration absolue de KM3NeT/ORCA et démontre les capacités du détecteur avec seulement 6 unités de détection (DUs) à observer des neutrinos tau et à tester des modèles qui vont au-delà des oscillations des neutrinos avec 3 saveurs. À partir des données de KM3NeT/ORCA collectées entre Février 2020 et Novembre 2021, les ombres en rayons cosmiques de la Lune et du Soleil ont été observées avec une haute significativité statistique. Ces signaux ont permis de contraindre davantage l'orientation absolue du détecteur à $[-0.15^circ, +0.55^circ]$ à 3$sigma$. De plus, le signal de l'ombre du Soleil a montré une anti-corrélation avec l'activité solaire. Pour compléter ces résultats de calibration, une technique innovante de positionnement acoustique, basée sur le principe de textit{beamforming}, a été développée. Cette méthode permet d'améliorer la précision de pointage du détecteur à un niveau de $approx 0.1^circ$. La première observation de l'apparition des neutrinos tau dans KM3NeT/ORCA est décrite, basée su 433 textit{kt-years} de données enregistrées avec six DUs. Le paramètre de normalisation des neutrinos tau a été mesurée à $0.48^{+0.49}_{-0.33}$, et la section efficace du courants chargé pour les neutrinos tau a été trouvée égale à $sigma_{tau}^{text{meas}} = (2.5^{+2.6}_{-1.8}) times 10^{-38}$ cm$^2$ pour une énergie médiane des neutrinos tau de 20.3 GeV, incluant les corrections Feldman Cousin. Ce résultat fournit une base pour les futures mesures de sections efficaces des neutrinos tau par KM3NeT/ORCA dans cette gamme d'énergie. En outre, la thèse présente une analyse du mélange non-unitaire des neutrinos (NUNM) utilisant les mêmes données atmosphériques de 433 textit{kt-years} de KM3NeT/ORCA. Les limites sur les paramètres NUNM ont été améliorées, en particulier pour $alpha_{33}$, qui a été contraint à $-0.05$ à $2sigma$. Soit une amélioration par un facteur deux par rapport aux contraintes précédentes. Des paires de paramètres NUNM ont également été testées et une légère déviation a été observée pour la somme de $alpha_{22}$ et $alpha_{33}$. Cette étude représente la première recherche de mélange non-unitaire des neutrinos dans une gamme d'énergie basse à l'aide de neutrinos atmosphériques. Ce travail souligne les améliorations de la précision de pointage de KM3NeT, contribuant à l'avancée de l'astronomie avec les neutrinos. Il a également été démontré que ce détecteur est capable de sonder les propriétés fondamentales des neutrinos et tester des extensions du Modèle Standard.

This thesis presents advancements in the calibration of KM3NeT/ORCA, and demonstrates the capabilities of the detector with only 6 detection units (DUs) to observe tau neutrinos and test models that go beyond 3-flavour neutrino oscillations. Using KM3NeT/ORCA data from February 2020 to November 2021, the cosmic ray shadows of the Moon and Sun were observed with high significance. The signals were used to further constrain the detector absolute orientation to the level of $[-0.15^circ, +0.55^circ]$ at 3$sigma$. In addition the sun shadow signal was found to be anti-correlated with its activity, the latter reflected in the number of sunspots. To complement the results of the Moon/Sun shadow calibration, an innovative acoustic positioning technique, based on the beamforming principle was developed. The calibration consist of sending acoustic signals from a boat, and reconstruct the source position in the detector frame. This promises further improvements to the detector pointing accuracy at the level of $approx0.1^circ$. The first observation of the tau neutrino appearance in KM3NeT/ORCA is reported, based on 433 kt-years of data taken with six DUs. The tau neutrino normalisation was measured as $0.48^{+0.49}_{-0.33}$, and the charged-current cross section was found to be $sigma_{tau}^{text{meas}} = (2.5^{+2.6}_{-1.8}) times 10^{-38}$ cm$^2$ for a median neutrino energy of 20.3 GeV including Feldman Cousin corrections. This result provides a foundation for future cross-section measurements from KM3NeT/ORCA in this energy range. Furthermore, the thesis introduces an analysis of the non-unitary neutrino mixing (NUNM) using the same KM3NeT/ORCA 433 kt-years atmospheric neutrino data . The limits on the NUNM parameters were improved, particularly for $alpha_{33}$, which was constrained to $-0.05$ at $2sigma$, a two-fold improvement over previous bounds, mainly from light sterile neutrino search of atmospheric neutrino experiments. Pairs of NUNM parameters were also tested and a small deviation was observed for the sum of $alpha_{22}$ and $alpha_{33}$. The study combining pairs of parameters represents the first search for low-scale non-unitary mixing using atmospheric neutrinos. This work underscores the improvements in the KM3NeT’s pointing accuracy contributing to the advancement of neutrino astronomy. The detector was also demonstrated to be a powerful instrument for probing fundamental neutrino properties, and testing extensions of the Standard Model.