Mesure du flux et de la section efficace des antineutrinos dans le détecteur proche de l'expérience T2K

par Ciro Riccio

Thèse de doctorat en Physique des particules

Sous la direction de Marco Zito, Vittorio Palladino et de Gianfranca De Rosa.

Le président du jury était Gianluca Imbriani.

Le jury était composé de Marco Zito, Gianfranca De Rosa, Gianluca Imbriani, Vincenzo Berardi, Francesco Cappuzzello, David Verney.

Les rapporteurs étaient Vincenzo Berardi, Francesco Cappuzzello.


  • Résumé

    T2K (Tokai to Kamioka) est une expérience d’oscillation de neutrinos muoniques sur une longue ligne de base, située au Japon. Elle est conçue pour mesurer le changement de saveur des neutrinos d’un faisceau produit à l’aide d’un accélérateur au laboratoire JPARC de Tokai. Les détecteurs proche et lointain sont placés légèrement hors axe par rapport au faisceau. Depuis la découverte en 2013 de l’apparition de neutrinos électroniques, T2K a inversé la polarité des cornes magnétiques intervenant dans la production du faisceau, afin de produire un faisceau d’antineutrinos et d’augmenter la sensibilité de l’expérience à la violation de la charge-parité dans le secteur leptonique. Le faisceau produit est alors dominé par les antineutrinos muoniques avec une composante mesurable de neutrinos muoniques. L’analyse simultanée, dans les données prises avec le faisceau de neutrinos et le faisceau d’antineutrinos, des interactions par courant chargé dans le détecteur proche ND280, permet de réduire l’impact sur les analyses d’oscillation des incertitudes liées au flux de (anti)neutrinos et à leur section efficace d’interaction. Les données de ND280 permettent également de mesurer les sections efficaces d’interaction des antineutrinos d’énergie proche de 600 MeV. La bonne connaissance du processus d’interaction des (anti)neutrinos avec les noyaux atomiques est cruciale pour interpréter les résultats de l’expérience en termes d’oscillations. De nombreux modèles théoriques ont été développés pour décrire les effets nucléaires lors des interactions des (anti)neutrinos, mais une vison globale cohérente n’a pas encore émergé. En particulier, des mesures variées de section efficace d’interaction par courant chargé sans production de pion dans l’état final suggèrent la possibilité pour les neutrinos d’interagir avec des paires de nucléons corrélés, entrainant l’éjection de plus d’un nucleon hors du noyau (composante dite “multi-nucléon”). Divers modèles ont proposé des estimations différentes de ce processus et une mesure précise et sans ambiguité n’est pas encore disponible. Ce travail de thèse se concentre sur trois études. La première détaille la sélection des interactions de neutrinos muoniques par courant chargé dans le détecteur proche hors axe. Dans un premier temps l’échantillon de données était divisé en deux selon le nombre de traces chargées de l’événement, puis l’accumulation de davantage de données a permis la séparation de l’échantillon en trois lots selon le contenu en pions de l’événement. La seconde étude consiste en la mesure simultanée de la section efficace d’interaction des neutrinos et des antineutrinos muoniques par courant chargé, conduisant à un état final sans pion mesuré dans le détecteur ND280. Ces sections efficaces sont extraites en fonction de l’impulsion et de l’angle du muon issu de l’interaction, permettant ainsi d’évaluer la somme, la différence et l’asymétrie entre les sections efficaces des neutrinos et des antineutrinos. La somme permet d’isoler la composante d’interférence vecteur-axial de la section efficace, et la différence est sensible à la composante multi-nucléons. L’asymétrie permet d’estimer directement le biais éventuel sur la mesure de la phase de violation de CP dû à la modélisation des sections efficaces, dans l’analyse d’oscillation de neutrinos. La dernière partie de la thèse étudie la proposition d’utiliser la technologie dite de multi-PMT pour le detector Hyper-Kamiokande, version à plus grande échelle de Super-Kamiokande, ainsi que la possibilité d’étudier le flux de neutrinos avec un détecteur basé sur le rayonnement Cherenkov dans l’eau, et placé à environ 2 km de l’origine du faisceau de neutrinos. Un multi-PMT est une sphère de plastique contenant 26 tubes photomultiplicateurs, qui pourrait améliorer l’efficacité des futurs détecteurs basés sur le rayonnement Cherenkov dans l’eau.

  • Titre traduit

    Measurement of the antineutrino flux and cross section at the near detector of the T2K experiment


  • Résumé

    T2K (Tokai to Kamioka) is a long-baseline neutrino oscillation experiment installed in Japan and designed to measure neutrino flavor oscillation using an off-axis neutrino beam produced at the J-PARC accelerator facility in Tokai. Since its discovery of electron neutrino appearance in 2013, T2K has switched its beam magnet polarities to run in antineutrino beam mode in order to enhance its sensitivity to the charge-parity violation in the leptonic sector. The beam is dominated by muon antineutrinos, but it also contains a sizable contamination from muon neutrinos. The analysis of both neutrino and antineutrino charged-current interactions in the off-axis near detector ND280, provides a significant reduction of the flux prediction and cross-section modeling systematic uncertainties in the oscillation analysis. ND280 data also gives us the opportunity to measure antineutrinos cross-sections at the energy around 600 MeV. Information on (anti)neutrino scattering is vital for the interpretation of neutrino oscillation. Many theoretical models have been developed to describe the nuclear effects in (anti)neutrino scattering, but a consistent picture has yet to emerge. In particular, various measurements of charged-current cross-section without production of pions in the final state have suggested the presence of another channel where neutrinos interact with pairs of correlated nucleons and more than one nucleon is knocked-out from the nucleus (multi-nucleon component). Various models have proposed different estimations of such process and a precise and unambiguous measurement is not yet available. This thesis work is focused on three different arguments. First the selections of CC interactions of muon neutrinos in antineutrino beam in the off-axis near detector. In a first iteration this sample has been divided into two sub-sample based on the track multiplicity, then with more statistic a separation into three sub-samples based on the pion content in each event was possible. Then on the simultaneous measurement of the double-differential muon neutrino and antineutrino charged-current cross-section without pions in the final state using the off-axis near detector. The neutrino and antineutrino cross-sections will be simultaneously extracted as a function of muon momentum and angle with a likelihood fit, including proper estimation of the correlations, allowing the evaluation of the sum, difference and asymmetry between the two cross-sections. The sum isolates the axial-vector interference term of the cross-section, and the difference enhances the sensitivity to the multinucleon component. The asymmetry is a direct estimation on any possible bias due to mismodeling of (anti)neutrino interactions on the measurement of the CP violation phase in neutrino oscillation. The last topic concerns the proposal of the multi-PMT technology as detector for Hyper-Kamiokande, the upgrade of Super-Kamiokande, and the intermediate water v Cherenkov proposed to study the neutrino flux at ~2 $km$ from the beam production point. A multi-PMT is a plastic sphere filled with 26 photomultiplier tube that could improve the efficiency of the Cherenkov detectors foreseen in the future.


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