Violation de symétrie CP dans le secteur leptonique avec DUNE : simulation et reconstruction des données basse énergie dans l'argon liquide

CP symmetry violation in the leptonic sector with DUNE: simulation and data reconstruction at low energy in liquid argon

• Auteur / Autrice : Jérémy Quélin lechevranton
• Direction : Thibaut Houdy
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des deux Infinis Irène Joliot-Curie
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Neutrino

Analyse de données

Symétrie CP

Dune

Matrice PMNS

Instrumentation

Data analysis

CP symmetry

Neutrino

Instrumentation

PMNS matrix

Dune

Résumé

Les neutrinos sont des particules élémentaires très abondantes mais encore mal comprises. L'étude de leurs oscillations, non prédites par le Modèle Standard de la physique des particules et décrites par la matrice PMNS, en fait une porte d'entrée privilégiée pour tenter d'expliquer des phénomènes encore mystérieux comme l'asymétrie matière/antimatière de l'Univers dont δCP est un marqueur dans le secteur leptonique, ou la nature de la matière noire avec l'unitarité de la matrice PMNS et la recherche de neutrino(s) stérile(s). Après une première génération de détecteurs ayant mesuré les angles de mélanges, de nouvelles expériences géantes ambitionnent de décrire précisément l'oscillation des neutrinos (DUNE, HyperK). La collaboration DUNE (https://www.dunescience.org/)ambitionne de mesurer les propriétés d'oscillation des neutrinos, notamment δCP, toujours inconnue, à un niveau de précision encore jamais atteint. Un défi majeur sera d'assurer le fonctionnement optimal d'une chambre à projection temporelle à base d'argon liquide (LArTPC) inédite de 17,5 kilo-tonnes. Pour atteindre cet objectif, une compréhension fine du détecteur lointain est nécessaire. En particulier, la capacité d'identifier la saveur et l'interaction entre le neutrino et l'argon liquide seront critiques pour l'expérience. La thèse se focalisera sur l'analyse des données de prototypes (ProtoDUNE-HD et ProtoDUNE-VD), notamment les données cosmiques (muons) et radiologiques, pour la prise en compte d'effets fins surtout visibles à basse énergie (recombinaison, effet de charge, distorsion du champ électrique) mais ayant des impacts sur la reconstruction d'évènements à toute énergie. Cela est notamment important pour la reconstruction des gerbes électromagnétiques. Pour cela, l'étudiant·e réalisera les simulations à comparer aux données qui seront prises en 2024 et 2025 sur les deux prototypes localisés au CERN. Elle ou il participera à la prise de données, notamment contribuera aux premières analyses lumière-charge de ProtoDUNE-VD. Il ou elle étudiera les évènements de basse énergie : électron issu de la désintégration d'un muons, désintégration de l'argon 39, sources de calibration à basse énergie. Finalement, l'étudiant.e étudiera l'impact d'intégrer ces effets dans la reconstruction pour la mesure de δCP et la détection de supernovae galactiques.

Neutrinos are a very abundant yet not completly understood elementary particle of the Standard Model (SM). The discovery of their oscillation, not predicted by the SM, opened a door to investigate the matter/antimatter asymetry as well as dark matter nature. After a first generation of neutrino experiments measuring the mixing angles, a new generation of giant detectors (DUNE, HyperK) opens a precision era for oscillation parameters. The DUNE experiment (https://www.dunescience.org/) aims to measure oscillating parameters, most notably δCP which remains unknown, to an unprecedented precision, as well as galactic supernovae and proton decay. One of the biggest challenge of the experiment is to operate a giant 17.5 ktons liquid argon TPC in which our group is deeply involved. In particular, understanding the interaction between a neutrino/charged lepton with liquid argon, at high and low energy is critical for reaching the full physics potential of DUNE. The PhD will focus on data analysis of the prototypes (ProtoDUNE-HD and ProtoDUNE-VD at CERN), mostly cosmics data (atmospheric muons) and natural radioactivity for testing fine tuning effect at low energy (recombination, space charge effect, electric field distorsion) but impacting any energy reconstruction in a LArTPC detector. The student will realise simulation to compare with data taken in 2024 and 2025 with both prototypes located at CERN. The student will be part of the data taking and will contribute to the first charge-light combine analysis with ProtoDUNE-VD. He or she will study low-energy (few MeV) events : electrons from muon decay, decay of 39Ar nuclei naturally present in liquid argon, radioactive calibration sources. A study on the impact of integrating such effects for δCP sensitivity and galactic supernovae detection will value the student work.