Background studies for electron anti-neutrino oscillations measurement at the Double Chooz experiment

par Adrien Hourlier

Thèse de doctorat en Physique. Physique de l'Univers

Sous la direction de Jaime Dawson.

Le président du jury était Thomas Patzak.

Le jury était composé de Jaime Dawson, Thomas Patzak, Marco Zito, Ines Gil-Botella, Dominique Duchesneau, Michaël Wurm, Anatael Cabrera.

Les rapporteurs étaient Marco Zito, Ines Gil-Botella.

  • Titre traduit

    Études de bruits de fond pour la mesure des oscillations d'anti-neutrinos électroniques dans l'expérience Double Chooz


  • Résumé

    L’expérience Double Chooz étudie les anti-neutrinos électroniques provenant de réacteurs nucléaires pour mesurer le paramètre de mélange θ13 dans le phénomène d’oscillation des neutrinos. Deux détecteurs souterrains identiques sont placés à différentes distances des réacteurs de la centrale de Chooz dans les Ardennes. Le Détecteur Lointain est entré en service en avril 2011, et le Détecteur Proche en janvier 2015. Cette thèse présente une analyse des phases simple et double détecteurs de l’expérience. Les neutrinos sont détectés par désintégration β inverse dans Double Chooz, où un positron et un neutron sont émis, créant deux signaux coïncidents. Différentes analyses ont été menées sur des échantillons dans lesquels le neutron capture sur un atome de gadolinium ou d’hydrogène. Une analyse jointe des deux captures est également présentée. Les bruits de fond proviennent de la radioactivité ambiante et des muons atmosphériques (émetteurs (β-n), neutrons rapides et muons s’arrêtant et se désintégrant dans le détecteur). Cette thèse se focalise sur le développement de techniques pour réduire le bruit de fond lié aux muons se désintégrant dans le détecteur. Avec l’aide de collègues de l’APC et du MIT, un TPC à neutrons a été installé dans les deux laboratoires souterrains à Chooz. Cette chambre à projection temporelle, appelée DCTPC, remplie d’un mélange hélium/CF4 mesure le flux, le spectre en énergie, et la direction des neutrons rapides dans les deux laboratoires avec des blindages différents (respectivement 150 et 300 mètres équivalents d’eau pour le Laboratoire Proche et Lointain)


  • Résumé

    Double Chooz is a reactor anti-neutrino experiment which measures the θ13 mixing parameter in the neutrino oscillation phenomenon thanks to two identical underground detectors located at different distances from the two reactors of the Chooz nuclear power plant in the French Ardennes. The Far Detector started data taking in April 2011 and the Near Detector began operations in January 2015. This thesis presents an analysis of both the single- and twodetector phases. Neutrinos interact in Double Chooz through inverse β decay on protons, where positron and a neutron are emitted, creating two coincident signals. Analyses were performed for each detector on independent samples using the neutron capture on Gadolinium or on Hydrogen. A combined analysis, using both neutron captures is also presented. Backgrounds to the neutrino sample originate from the ambient radioactivity and the abundance of atmospheric muons (cosmogenic (β-n) emitters, fast neutron showers, and muons stopping and decaying inside the detector). This thesis focuses on developing techniques for measuring and reducing the Stopping Muon background. With colleagues from APC and MIT, a 60 litre neutron TPC was installed in both underground laboratories at Chooz. This low pressure He/CF4-based time projection chamber, called DCTPC, measures the flux, energy spectrum and direction of fast neutrons in both locations, with different overburdens (150 and 300 meters water equivalent for the Near and Far Laboratories respectively)


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