Mesure de l'angle de mélange θ₁₃ avec les deux détecteurs de Double Chooz

par Valérian Sibille

Thèse de doctorat en Physique des particules

Sous la direction de David Lhuillier.

Soutenue le 16-11-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Particules, Hadrons, Énergie, Noyau, Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulation (Orsay, Essonne) , en partenariat avec Service de Physique Nucléaire (Saclay) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Pierre Désesquelles.

Le jury était composé de David Lhuillier, Pierre Désesquelles, Fabrice Piquemal, Michaël Wurm, Thierry Lasserre, Lindley Winslow.

Les rapporteurs étaient Fabrice Piquemal, Michaël Wurm.


  • Résumé

    L'expérience Double Chooz a pour but de mesurer l'angle de mélange leptonique θ₁₃ avec précision. Pour ce faire, l'expérience met à profit deux détecteurs identiques -- remplis de liquide scintillant dopé au gadolinium -- afin d'étudier les $antinue$ produits par les deux réacteurs nucléaires de 4.25GWth de la centrale de Chooz. Le détecteur lointain -- situé à une distance moyenne de $SI{1050}{m}$ des coeurs -- prend des données depuis Avril 2011. Le détecteur proche -- à une distance moyenne de 400m des coeurs -- observe les réacteurs depuis Décembre 2014. Le paramètre de mélange θ₁₃ conduit à la disparition d'$antinue$, lorsque ceux-ci voyagent des coeurs jusqu'aux sites de détection; la dépendance en énergie de ce déficit permet d'extraire la valeur de sin² 2θ₁₃, par ajustement. Les systématiques de détection, ainsi que l'incertitude sur la prédiction du flux $antinue$, sont formidablement réduites par le biais de corrélations entre les détecteurs et la configuration iso-flux du site. Par conséquent, la précision relative à la mesure de θ₁₃ est dominée par les incertitudes sur les bruits de fond et sur la normalisation relative des taux d'$antinue$. Le bruit de fond principal provient de la désintégration des émetteurs βn -- produits par spallation des muons -- dans le détecteur lui-même. Les spectres de ces isotopes cosmogéniques ont été simulés et complétés par un traitement d'erreur rigoureux. Ces prédictions sont en bon accord avec les données, elles-mêmes extraites à l'aide d'un veto actif, dont la performance a été étudiée pour les deux sites. Le taux d'évènements cosmogéniques restant parmi les candidats $antinue$ a également été estimé. En outre, la normalisation relative du taux d'$antinue$, liée aux nombres de protons dans les cibles de chaque détecteur, a été évaluée. Tous ces travaux se sont inscrits au sein des premières analyses Double Chooz à l'aide de deux détecteurs, produisant sin² (2θ₁₃) = 0.111±0.018.

  • Titre traduit

    Measurement of the θ₁₃ mixing angle with the two Double Chooz detectors


  • Résumé

    The Double Chooz experiment aims at accurately measuring the value of the leptonic mixing angle θ₁₃. To this intent, the experiment makes the most of two identical detectors -- filled with gadolinium-loaded liquid scintillator -- observing $antinue$'s released by the two 4.25GWth nuclear reactors of the French Chooz power plant. The so-called "far detector" -- located at an average distance of 1050m from the two nuclear cores -- has been taking data since April 2011. The "near detector" -- at an average distance of 400}m from the cores -- has monitored the reactor since December 2014. The θ₁₃ mixing parameter leads to an energy dependent disappearance of $antinue$'s as they propagate from the nuclear cores to the detection sites, which allows for a fit of the sin² 2θ₁₃ value. By reason of correlations between the detectors and an iso-flux site layout, the detection systematics and the $antinue$ flux uncertainty on the θ₁₃ measurement are dramatically suppressed. In consequence, the precision of the θ₁₃ measurement is dominated by the uncertainty on the backgrounds and the relative normalisation of the $antinue$-rates. The main background originates from the decay of βn-emitters -- generated by $mu$-spallation -- within the detector itself. The energy spectra of these cosmogenic isotopes have been simulated and complemented by a diligent error treatment. These predictions have been successfully compared to the corresponding data spectra, extracted by means of an active veto, whose performance has been studied at both sites. The rate of cosmogenic background remaining within the $antinue$ candidates has also been assessed. Addtionally, the normalisation of the $antinue$ rates, bound to the number of target protons within each detector, has been evaluated. All these works were part of the first Double Chooz multi-detector results, yielding sin² (2θ₁₃) = 0.111±0.018.


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