The8B solar neutrino analysis in Borexino and simulations of muon interaction products in Borexino and Double Chooz

• Auteur / Autrice : Margherita Buizza Avanzini
• Direction : Alessandra Tonazzo, Gianpaolo Bellini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : [Champs, particules, matières]
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 7 en cotutelle avec Université de Milan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Monte-Carlo, Méthode de

Neutrons

Isotopes

Neutrinos solaires

Résumé

Une analyse des neutrinos solaires du ⁸B de Borexino et la simulation Monte Carlo (MC) des produits de l'interaction des muons cosmiques en Borexino et Double Chooz sont présentées dans ce mémoire. L'analyse des neutrinos solaires du ⁸B de Borexino a été réalisée aux plus faibles seuils d'énergie jamais atteints : 3 MeV et 2 MeV. Le seuil 3 MeV a demandé l'étude et la mise en oeuvre de nouvelles techniques de rejection des isotopes cosmogéniques. Le seuil 2 MeV a demandé une étude approfondie du bruit de fond extérieur affectant le noyau de Borexino et la réalisation d'outils MC pour reproduire sa distribution spatiale et énergétique. Les fréquences mesurées (0. 22 ± 0. 04stat ± 0. 01syst cpd/100t à 2MeV) sont compatibles avec les prévisions du modèle solaire standard intégré par la solution des oscillations MSW-LMA. Borexino et Double Chooz utilisent des scintillateurs liquides, sensibles à la contamination des muons survivant en sous-sol. Plusieurs codes MC ont été développés pour décrire les interactions des muons et les conséquentes cascades hadroniques et production de neutrons ou d'isotopes. La comparaison des simulations par Geant4 et FLUKA avec les résultats de Borexino pour des faisceaux de muons d'énergie autour de 270 GeV a montré que : (a) l'interaction des neutrons est bien reproduite, mais (b) la cascade d'hadrons est sous estimée comme le montrent les données concernant les fréquences des isotopes et des neutrons. La validation des simulations MC dans la bande d'énergie autour de 64 GeV sera possible dès que les nouvelles données concernant les fréquences cosmogéniques en Double Chooz seront disponibles.

The present work deals with both ⁸B solar neutrino analysis in Borexino, and Monte Carlo (MC) simulation of cosmic muon interaction products in Borexino and Double Chooz. In Borexino, the ⁸B solar neutrino analysis was performed at the lowest energy thresholds ever reached : 3 and 2MeV. Setting the energy threshold at 3MeV required the study and development of removal techniques for cosmogenic isotopes. Decreasing the energy threshold down to 2MeV required a deep study of the external backgrounds affecting the Borexino core, and the development of precise MC tools to reproduce their radial and energy distributions. The measured rates, (0. 22 ± 0. 04stat ± 0. 01 syst) cpd/100t above 3MeV and (0. 31 = 0. 04stat = 0. 01 syst) cpd/100t above 2MeV, are compatible with the expectation based on the Standard Solar Model plus MSW-LMA oscillation solution. Borexino and Double Chooz experiments use liquid scintillator detectors, affected by cosmogenic contaminations from underground surviving muons; Many MC codes have been developed to describe muon interactions and subsequent hadronic cascades and neutron or isotope productions. Simulations through Geant4 and FLUKA were performed. The comparison with the Borexino data showed two important results concerning muon beam with mean energy around 270 GeV. First, the neutron interactions are well reproduced by Geant4 and FLUKA. On the contrary, the hadronic shower development is underestimated, as proven by the disagreement with the cosmogenic isotope and neutron rates. Double Chooz data on cosmogenics rates will soon be available. They will allow MC/data comparison for a muon beam energy range of about 64GeV.