Development of the source calibration system of the STEREO experiment and search for sterile neutrinos at the ILL

par Luis Manzanillas

Thèse de doctorat en Physique subatomique et astroparticules

Sous la direction de Dominique Duchesneau.

Soutenue le 10-10-2016

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de physique des particules (laboratoire) .

Le président du jury était Giovanni Lamanna.

Le jury était composé de Eric Baussan, Pablo Del Amo Sanchez.

Les rapporteurs étaient Alessandra Tonazzo, Alain Letourneau.

  • Titre traduit

    Développement du système de calibration par sources de l’expérience STEREO et recherche de neutrinos stériles auprès de l'ILL


  • Résumé

    L'expérience STEREO a été proposé afin de donner une réponse sans ambiguïté àl'idée d'un état de neutrino stérile léger ($Delta m^{2}sim 1eV^{2}$) comme l'origine del'anomalie réacteur des antineutrinos. Le but de l'expérience est de confirmer ou de rejetercette hypothèse en recherchant un patron d'oscillation à courte distance (9-11 m) dans lespectre en énergie des $overline{nu_{e}}$'s émis par le réacteur nucléaire de recherchede l'Institut Laue-Langevin à Grenoble (France). A cet effet, le détecteur estcomposé de 2 tonnes du liquide scintillant dopé au Gd et lu par un réseau detubes photomultiplicateurs, et est segmenté en 6 cellules dans la direction depropagation des antineutrinos. Les $overline{nu_{e}}$'s sont détectés par le processusIBD en observant un signal corrélé dans letemps d'un dépôt d'énergie rapide d'un positron et un signal retardé produitpar la capture d'un neutron. La mesure des petites oscillations deformantle spectre d'énergie des antineutrinos nécessite une bonne résolution en énergieet une excellente connaissance de la réponse du détecteur. Ce manuscrit présenteune étude de simulation détaillée basée sur le logiciel Geant4 STEREO, ce quia permis le développement du système de calibration par sources. Ce système aété conçu pour répondre à toutes les exigences physiques de STEREO: calibrerl'échelle de l'énergie et de l'efficacité de capture de neutrons au niveau de 2%,connaître la réponse en énergie dans le spectre d'énergie réacteur antineutrino(1-8 MeV), étudier et la caractériser la réponse et des non-uniformités dudétecteur. A cet effet, on propose un système de calibration consistant en trois sous-systèmes:un sous-système automatisé pour déplacer des sources radioactives autour dudétecteur pour calibrer l'échelle en énergie dans chaque cellule de manièreindépendante. Un second sous-système pour déplacer une source AmBe sous ledétecteur, dont l'objectif est d'inter-calibrerl'efficacité de capture de neutrons entre les cellules. Enfin, un troisième systèmemanuel qui consistent en trois tubes de calibration placés à l'intérieur du liquidescintillante pour évaluer l'efficacité absolue de la capture des neutrons danstrois cellules différentes. La dernièrepartie de ce manuscrit est consacré à l'étude et la caractérisation du bruite de fond gammaet les signaux neutrino attendus.


  • Résumé

    The STEREO experiment has been proposed to give an unambiguous responseto the hypothesis of a light sterile neutrino state ($Delta m^{2}sim 1 eV^{2}$)as the origin of the reactor antineutrino anomaly. Its goal is to confirm or reject thishypothesis by searching at short distance (9-11 m) for a neutrino oscillation patternin the energy spectrum of the $overline{nu_{e}}$’s emitted by the research nuclear reactorof the Laue-Langevin Institute in Grenoble (France). To this end, the detector iscomposed of 2 tons of Gd-loaded liquid scintillator read out by an array of PMTs, andis segmented in 6 cells in the direction of the $overline{nu_{e}}$’s propagation. Antineutrinosare detected via the IBD process by observing a time correlatedsignal composed of a prompt energy deposit from a positron and a delayed signal produced bythe neutron capture. Measuring small oscillations superimposed on the reactor antineutrinoenergy spectrum requires a good energy resolution and an excellent knowledge ofthe detector response. This manuscript presents a dedicated Geant4 simulation studyof a calibration system based on radioactive sources.This system has been conceived to fulfill all the STEREO physics requirements:calibrating the energy scale and the neutron capture efficiency at the 2 % level,knowing the energy response in the reactor antineutrino energy spectrum (0-8 MeV),and characterizing the detector response in a broader sense (non-uniformities, non-linearity,particle identification, etc). To this end, we proposethree calibration subsystems: one automated subsystem to moveradioactive sources around the detector, whose main role is to calibrate the energy scale in each cellindependently; a second subsystem to inter-calibrate the neutron captureefficiency between cells by moving an AmBe source under the detector; and finally,a third subsystem consisting in three manualcalibration tubes inside the liquid scintillator, necessary to assess the absolute neutron captureefficiency inside three different cells. The final part of this manuscript is devoted tothe study of the selection criteria, and the proposal of methods to reject the expected gammabackground.


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