Le projet WA105 : Etude d'un prototype de TPC en argon liquide double phase utilisant des détecteurs MPGD

par Philippe Cotte

Projet de thèse en Physique des particules

Sous la direction de Edoardo Mazzucato.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Particules, hadrons, énergie et noyaux: Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulation , en partenariat avec DSM-Institut de Recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Au cours des deux dernières décennies, la physique du neutrino a connu un essor considérable avec, en particulier, l'observation des oscillations de neutrinos. Cette découverte a confirmé de manière claire que les neutrinos actifs ont une masse et qu'ils sont décrits par trois états distincts de masse. L'existence d'une masse non-nulle du neutrino constitue un résultat majeur en physique, car elle indique que le Modèle Minimal Standard, bien que consolidé par la récente découverte du boson de Higgs, est incomplet et qu'il nécessite une extension dont les ingrédients ne sont pas encore connus. Plusieurs expériences faites auprès de réacteurs (Daya Bay, Double Chooz, RENO) ou sur accélérateur (MINOS, No?a et T2K) ont récemment apporté des informations précieuses vers la compréhension du mécanisme d'oscillation des saveurs du neutrino par la mesure du troisième angle theta13, jusque-là inconnu, de la matrice de mélange matrice Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS). La valeur élevée de theta13 ouvre en effet la voie à des expériences futures qui permettront d'obtenir une détermination claire de la hiérarchie de masse des neutrinos et possiblement de mesurer la phase delta de la matrice PMNS, paramètre décrivant la violation de la symétrie de CP dans le secteur des leptons. L'existence d'une telle brisure de symétrie aurait un impact considérable en physique car elle pourrait être à l'origine de l'asymétrie matière-antimatière observée dans l'univers. Par ailleurs, les valeurs des paramètres de mélange theta12, theta23 et theta13 de la matrice PMNS diffèrent notablement de celles des paramètres de la matrice analogue Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) dans le secteur des quarks. Cette situation suggère la présence d'une symétrie des saveurs inconnue qui reste encore à explorer. Les masses des neutrinos, extrêmement faibles par rapport à leurs partenaires chargés, privilégient en outre des modèles théoriques dans lesquels la faible masse du neutrino est le reflet d'une physique nouvelle à une échelle située à très haute énergie. Par conséquent, l'exploration détaillée du spectre de masse, des oscillations de neutrinos et l'observation de la violation de CP dans le secteur des neutrinos font partie des questions les plus fondamentales qui se posent aujourd'hui en physique des particules. L'étude de la hiérarchie de masse et de la violation de CP dans le secteur des neutrinos requiert l'utilisation de faisceaux très intenses de neutrinos et de détecteurs souterrains de grande masse. Plusieurs projets à travers le monde et s'appuyant sur des technologies diverses de détection sont en cours d'études. C'est le cas, par exemple, des projets HK au Japon et DUNE aux USA. Dans le cadre de la création d'une plateforme neutrinos au CERN, la collaboration WA105 se propose de construire et de tester un démonstrateur de 300 tonnes d'argon liquide (6x6x6m3) pour l'observation tridimensionnelle des produits d'interaction des neutrinos. La technologie choisie repose sur l'utilisation d'une Chambre à Projection Temporelle utilisant des détecteurs MPGD (Micro Pattern Gaseous Detectors) fonctionnant en argon liquide double phase (liquide-gas). Ce démonstrateur sera construit d'ici fin 2018 et sera testé en faisceau au CERN avec des particules chargées de 1 à 20 GeV/c et des cosmiques. En parallèle, un prototype de plus petite taille (3m3) a été réalisé en 2017 pour valider les choix techniques retenus pour la construction du démonstrateur. Évoluant au sein de la collaboration internationale WA105, le doctorant participe à l'effort de R&D sur le développement et l'utilisation de détecteurs MPGD pour une TPC en argon double phase. Le doctorant travaillera sur l'optimisation des performances des détecteurs en termes de gain d'amplification et de résolution en énergie dans des conditions d'argon ultra pur. Il travaille sur l'analyse des données recueillies avec source ou sur banc cosmique avec différents prototypes. Notamment, il a participé aux essais effectués au CERN sur le prototype de TPC de 3x1x1m3, dont il va analyser les performances. Le doctorant a travaillé aussi sur la simulation des prototypes utilisés pour la compréhension des performances des détecteurs. Il participe à la mise en œuvre du banc de test pour la phase de production des détecteurs MPGD ainsi qu'à la validation des détecteurs qui seront utilisés pour le démonstrateur WA105.

  • Titre traduit

    The WA105 project : Study of a dual phase liquid argon TPC using MPGD detectors


  • Résumé

    Over the last two decades, neutrino physics has made considerable progress with, in particular, the observation of neutrino oscillations. This discovery has confirmed in a clear way that active neutrinos have mass and that they are described by three distinct mass states. The existence of a non-zero neutrino mass constitutes a major result in physics since it implies that the Minimal Standard Model, although consolidated by the recent discovery of the Higgs boson, is incomplete and necessitates an extension whose ingredients are not known yet. Several neutrino experiments at reactors (Daya Bay, Double Chooz, RENO) or at accelerators (MINOS, NOVA, T2K) have recently provided crucial information towards the understanding of the neutrino flavor oscillation mechanism through the measurement of the third angle theta13, unknown until then, of the Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) mixing matrix. The large value of theta13 opens the road to future experiments that will allow to determine in a clear way the neutrino mass hierarchy and possibly to measure the phase deltaCP of the PMNS matrix, a parameter that describes the CP symmetry violation in the leptonic sector. The existence of such a symmetry breaking would have a considerable impact in physics since it could be responsible for the matter-antimatter asymmetry observed in the universe. On the other hand, the values of the theta12, theta13 and theta23 parameters of the PMNS matrix differ significantly from those of the analog Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) matrix in the quark sector. This situation suggests the presence of an underlying flavor symmetry which still needs to be explored. The very small neutrino masses, as compared to their charged lepton partners, favor theoretical models in which the smallness of the neutrino mass is the reflection of new physics at a much higher energy scale. Consequently, the detailed study of the mass spectrum and flavor oscillations of neutrinos as well as the observation of CP violation in the neutrino sector are among the most fundamental questions in particle physics. The study of mass hierarchy and CP violation in the neutrino sector requires the use of very intense neutrino beams together with very large mass underground detectors. Several projects around the world are being considered, like HK in Japan or DUNE in the U.S.A. In the context of the existing neutrino platform at CERN (Geneva, Switzerland), the WA105 collaboration is proposing to build and test a 300 ton liquid argon (6×6×6m3) demonstrator for the 3D observation of neutrino interaction products. The chosen technology is based on the use of a large Time Projection Chamber (TPC) instrumented with Micro Pattern Gaseous Detectors (MPGD) working in double phase liquid argon (DLAr). This demonstrator will be built by the end of 2018 and will be tested at CERN using a 1 to 20 GeV/c charged particle beam and cosmics. In parallel, a smaller prototype (3×1×1m3) has been constructed in order to validate the technical solutions adopted for the full scale demonstrator. Tests with cosmic rays, that will allow to measure the performance of such a prototype, are ongoing since June 2017. The Ph.D candidate takes part in the R&D and of MPGD for a double phase liquid argon TPC. He will work on the optimization of the performance of the MPGD in term of gain and energy resolution in ultra-pure argon. After having taken part in its commissioning, the Ph.D student will work on the analysis of the data taken by the 311 prototype. He also worked on several simulations of the MPGD to understand their performance. He takes part in the implementation of a test bench for the production of the MPGD, and in their validation for their use in the WA105 demonstrator.