Étude et simulation de la lumière de scintillation produite et se propageant dans une chambre à dérive double-phase à argon liquide, dans le contexte du projet DUNE

par Anne Chappuis

Thèse de doctorat en Physique Subatomique et Astroparticules

Sous la direction de Isabelle De bonis.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Physique , en partenariat avec Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique des Particules (laboratoire) .


  • Résumé

    Le projet DUNE est un projet d'expérience d'oscillations de neutrinos sur faisceau longue-distance, dédié en particulier à la détermination de la hiérarchie de masse des neutrinos et à la mesure de la phase de violation CP intervenant dans le mécanisme d'oscillations. Ce projet consiste en un faisceau intense de neutrinos de 1300 km et un détecteur massif contenant plus de 40 kilotonnes d'argon liquide, basé sur la technologie des chambres à dérive à argon liquide (LArTPC). Deux approches de cette technologie sont actuellement en développement, menant à l'installation au CERN de deux prototypes dont la construction devrait s'achever fin 2018. Le travail présenté dans cette thèse s'intègre dans le cadre du projet ProtoDUNE-DP, qui vise à prouver la faisabilité de la technologie dite « double-phase », c'est-à-dire utilisant de l'argon liquide et gazeux, pour les LArTPC de cette envergure. Deux signaux principaux sont attendus dans un tel détecteur, un signal de charges et un signal lumineux de scintillation. Le signal lumineux peut être utilisé dans le système de déclenchement d'acquisition des données, dans l'identification et éventuellement la réjection du signal dû aux muons cosmiques, et pour des mesures calorimétriques de précision. Des simulations préalables de ce signal sont donc nécessaires afin d'en comprendre les particularités et de développer des algorithmes d'identification. Cette thèse porte en particulier sur le développement de cette simulation et sur l'étude de la propagation des photons de scintillation au sein du détecteur. Les différents mécanismes de production de la lumière de scintillation, la simulation développée au cours de cette thèse et les études réalisées sur la propagation de la lumière de scintillation dans ProtoDUNE-DP seront présentés. Ces simulations ont également pu être comparées aux données recueillies avec un pré-prototype double-phase installé au CERN en 2017, afin de tester la validité de la simulation et d'en améliorer les différents paramètres.

  • Titre traduit

    Study and simulation of the scintillation light produced and propagating in a dual phase liquid argon time projection chamber, in the context of the DUNE experiment


  • Résumé

    DUNE is a future long-baseline neutrino experiment designed to determine, among others, the neutrino mass hierarchy and to measure the CP violation phase that enters the neutrino oscillation process. This project is based on a 1300 km long high intensity neutrino beam and a massive detector containing more than 40 kilotons of liquid argon using the liquid argon time projection chamber technology (LArTPC). Two approaches of this technology are currently under development, leading to the construction of two prototypes to be in place at the end of 2018 at CERN. The work of this thesis is part of the ProtoDUNE-DP project, which aims at probing the capabilities of the so-called “dual-phase” technology, that uses both gaseous and liquid argon, for a large-scale detector. Two kind of signals, a charge signal and a scintillation light signal, are expected in a LArTPC. The light signal can be used as a trigger, for the identification and rejection of the cosmic background, and for precise calorimetric measurements. Prior simulations of this signal are needed in order to improve our understanding of the scintillation light signal and to develop the identification algorithms. This work addresses the development of this simulation and the study of the scintillation photon behavior in the liquid argon detector. The different scintillation light production mechanisms, the developed simulation and the different studies on the light propagation in ProtoDUNE-DP are presented. These simulations have also been compared with light data taken at CERN in 2017 with a first demonstrator, in order to validate and tune the simulation.