Premieres indication de violation de la symetrie CP et de la hierarchie de masse en utilisant les neutrinos atmospheriques

First evidence of the CP symmetry violation and mass hierarchy using atmospheric neutrinos

• Auteur / Autrice : Mathieu Ferey
• Direction : Benjamin Quilain, Pascal Paganini
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LLR - Laboratoire LEPRINCE-RINGUET
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Neutrinos

Mots clés

Mots clés libres

Reseaux de neurones

Hyper-Kamiokande

Symétrie CP

Neutrino

Leptogenese

Oscillation

Hyper-Kamiokande

CP symmetry

Machine Learning

Oscillation

Leptogenesis

Neutrino

Résumé

L'oscillation de neutrino a été observée pour la première fois il y a 25 ans, lorsque l'expérience Super-Kamiokande détecta la disparition des neutrinos atmosphériques. En deux décennies, de fabuleux progrès ont ete realisé dans la compréhension de l'oscillation de neutrinos, si bien qu'ils ont ouvert la porte d'une nouvelle ère. Nous avons a présent la possibilité de mesurer la possible violation de la symétrie CP dans le secteur des leptons au travers de l'oscillation de neutrinos, et par elle, de proposer la toute première brique expliquant l'asymétrie entre la matière et l'antimatière que nous observons dans notre univers actuel. Cette proposition de thèse offre la possibilité de repondre a cette interrogation fondamentale par une approche complementaire basee sur une analyse experimentale motivee par une etude phenomenologique portant sur la leptogenese dite de basse energie. L'asymetrie entre la matiere et l'antimatiere presente dans notre Univers est l'une des questions les plus fondamentales et anciennes de la physique moderne. Dans les dernieres decennies, plusieurs mechanismes ont ete explore afin de repondre definitivement a cette question, d'une asymetrie statique a la baryogenese. Parmi les derniers scenarios possibles a l'heure actuelle, le mechanisme de leptogenese pourrait etre le plus prometteur: il predit que l'asymetrie matiere-antimatiere est la consequence d'une asymetrie originelle entre les leptons et anti-leptons generee a haute energie. Ce comportement pourrait etre induit par une phase de violation CP a haute energie, ou directement genere par la phase de violation CP de basse energie contenue dans la matrice d'oscillation de neutrinos, PMNS. Dans ce contexte, une determination precise des parametres d'oscillation, et en particulier, de la phase de violation CP a basse energie (δCP) nous permettra de contraindre ces scenarios pour la toute premiere fois. Plus precisement, ce projet propose de repondre a cette question via une approche triple: 1. Comprendre et developper ces modeles de leptogenese dans le but d'extraire les observables clefs pouvant etre mesuree a basse energie. En fonction de ses resultats, le candidat pourra travailler sur des extensions ou des alternatives aux modeles existant, permettant d'etablir de nouvelles relations entre la violation CP a basses energie et l'asymetrie matiere-antimatiere. 2. Integrer ces nouvelles observables dans l'algorithme de fit de Super-Kamiokande afin de contraindre les modeles de leptogenese et atteindre les premieres indications (3σ) de violation CP dans le secteur des leptons. Pour ce faire, le candidat s'appuiera sur plus de 20 ans de donnees de neutrinos atmospheriques accumules par Super-Kamiokande ameliorees par un nouvel algorithme de reconstruction. Idealement, le candidat etendra son travail et ameliorera ses contraintes en developpant et utilisant une analyse conjointe des neutrinos d'accelerateurs et atmospheriques detectes par Super-Kamiokande. 3. Developer & tester le nouvel algorithme de reconstruction base sur du Machine Learning method en utilisant les donnees de Super-Kamiokande (Japon) et de la WCTE (Water Cherenkov Test Experiment @ CERN) afin d'ameliorer les sensibilites de Super- et Hyper-Kamiokande a la violation CP.

The oscillations of neutrinos were first observed only 20 years ago, when the Super-Kamiokande collaboration observed the disappearance of atmospheric neutrinos. In less than two decades, the physics of neutrino oscillations has been the fertile field for tremendous progresses and opened a new era: it would allow to measure the CP asymmetry in the leptonic sector through neutrino oscillations, and with it, to possibly explain the asymmetry between matter and antimatter that is currently observed in our Universe. This position proposes to directly tackle this question using a complementary approach based on an experimental analysis and supported by a phenomenological study focused on low energy leptogenesis. The matter-antimatter asymmetry in the Universe has been a long-standing and one of the deepest open question in modern physics. Over the last decades, several mechanisms has been explored in order to bring a definitive answer to this question, from static asymmetry to baryogenesis. Among the surviving scenarios, the so-called leptogenesis mechanism may be the most promising : it predicts that the matter/antimatter asymmetry is generated from an original asymmetry between lepton and anti-lepton behaviour at high energy. This behaviour may be induced by a high energy CP violation phase, or be directly generated by the low energy CP violation phase of the neutrino oscillation matrix, PMNS. In this context, a precise determination of the neutrino oscillation parameters, and in particular, of the low energy CP violation (δCP), will allow us to constrain this scenario for the very first time. More precisely, this project proposes to address this fundamental questions through a triple approach: 1. Understand and develop these low energy leptogenesis models in order to extract the key observables that would be measurable at low energy. Depending on her/his achievements, the candidate could also work on extension or alternative of the existing models, which may bring new connections between the low energy CP violation and the matter-antimatter asymmetry. 2. Integrate these observables into the Super-Kamiokande oscillation fitter to constrain the leptogenesis models & reach the very first evidence (3σ) on CP violation in the lepton sector. For this purpose, the candidate will be able to use more than 20 years of Super-Kamiokande atmospheric data largely enhanced by a new and innovative reconstruction algorithm. Ideally, the candidate will then expand its work and improve these constraints by developing and using a joint analysis between accelerator and atmospheric neutrinos detected by the Super-Kamiokande detector. 3. Develop & test the new reconstruction algorithm based on Machine Learning method using Super-Kamiokande (in Japan) and WCTE (Water Cherenkov Test Experiment @ CERN) data in order to enhance the Super- and Hyper-Kamiokande sensitivities to CP violation.