Etude des oscillations de neutrinos à très courtes distances dans le détecteur STEREO à l'ILL, et calibration de celui-ci.

par Loic-rene Labit

Projet de thèse en Physique Subatomique et Astroparticules

Sous la direction de Dominique Duchesneau et de Pablo Del amo sanchez.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique des Particules (laboratoire) depuis le 30-09-2018 .


  • Résumé

    Le groupe neutrino du LAPP propose un travail de thèse expérimental en physique des neutrinos et plus spécifiquement sur l'étude des oscillations de neutrinos à très courtes distances dans le détecteur STEREO. La découverte des oscillations de neutrinos est l'un des événements majeurs des dernières décennies en physique des particules (prix Nobel 2015), car elle démontre que les neutrinos ont une masse non nulle. Ce fait, qui a été intégré dans le Modèle Standard, reste néanmoins inexpliqué. Depuis, un vaste programme expérimental de caractérisation de ces oscillations est en cours. Historiquement, l'oscillation de neutrinos a été suggérée pour expliquer les déficits de neutrinos par rapport aux attentes observés par plusieurs expériences, aussi bien pour les neutrinos du soleil (expérience de Homestake dans les 1970s, confirmé par SNO en 2002) que pour les neutrinos atmosphériques (SuperKamiokande, 1998). Récemment, des expériences dont l'élément actif est le gallium (SAGE, GALLEX) rapportent des déficits inattendus de neutrinos dans leurs données de calibration. Des déficits de neutrinos apparaissent aussi dans les expériences auprès de réacteurs nucléaires quand on compare les mesures avec les calculs les plus récents des flux de neutrinos prévus. Le parallèle avec les expériences historiques menant à la découverte des oscillations est évident : les neutrinos issus des sources de calibration des expériences du gallium ou des réacteurs nucléaires seraient en train d'osciller vers un quatrième neutrino. Celui-ci passerait inaperçu dans nos expériences car il interagirait très peu avec la matière ordinaire (d'où le qualificatif de « stérile » accolé à ce nouveau type de neutrino). Les parcours des neutrinos étant assez courts dans les deux anomalies, la longueur d'oscillation serait de quelques mètres aux énergies de ces expériences. Ensemble, les deux anomalies pourraient être expliquées par un 4ème neutrino (voir par exemple G. Mention et al., arXiv:1101.2755, Phys. Rev. D 83, 073006 (2011)). Plusieurs expériences, dont STEREO, sont en cours pour étudier ces anomalies. L'expérience STEREO, installée à moins de 10 m du coeur du réacteur nucléaire de l'Institut Laue-Langevin à Grenoble, est en cours de prise de données et devrait continuer jusqu'en 2019. Contrairement aux constatations précédentes, qui ne sont basées que sur des mesures de flux, l'idée dans STEREO est de mesurer avec précision le spectre en énergie des antineutrinos issus du coeur, et d'essayer d'y déceler la déformation induite par l'oscillation en un 4ème neutrino et son évolution avec la distance au réacteur. Une signature bien particulière est attendue s'il y a bien une oscillation. La petite taille du coeur (diamètre < 40 cm), la courte distance L parcourue par les neutrinos (8 à 12 m) et la bonne résolution en énergie de l'expérience permettront de confirmer ou de réfuter l'implication d'un neutrino stérile dans les anomalies. Le LAPP est responsable du système de calibration par sources radioactives, essentiel pour une bonne connaissance de l'échelle en énergie, et plus généralement, pour la maîtrise de la réponse du détecteur. Le travail de thèse abordera deux activités de recherche. La première est la calibration, dont le LAPP est un acteur majeur. Ce travail comprend la prise de données pendant les runs de physique et les runs dédiés à la calibration, l'extraction des coefficients de calibration et leur monitoring dans le temps, ainsi que le développement d'améliorations et corrections dans les simulations et le software de reconstruction des données neutrino, et en particulier dans l'estimation de l'énergie des neutrinos. Le deuxième volet de recherche concernera l'analyse des données neutrino pour déterminer la présence ou non d'oscillations vers un éventuel neutrino stérile. A part les critères de sélection, que l'étudiant peut être emmené à optimiser, le doctorant devra étudier et caractériser les bruits de fond et le signal, avant de mettre en place et de tester les algorithmes statistiques et les modèles permettant d'extraire la fréquence d'oscillation et l'angle de mélange d'une éventuelle oscillation.

  • Titre traduit

    Very short baseline neutrino oscillations study with the STEREO detector at ILL; calibration of the STEREO detector


  • Résumé

    The neutrino group at LAPP proposes an experimental project on neutrino physics, on the study of very short baseline neutrino oscillations with the STEREO detector. The discovery of neutrino oscillations is one of the major accomplishments in particle physics of the last decades (2015 Nobel prize), and it proves that the neutrinos have a non-zero mass. This fact, whose profound reason remains unexplained today, has nevertheless been embedded in the Standard Model of particle physics. A huge experimental effort is ongoing ever since, aiming at a precise experimental measurement of all the parameters involved. Historically, the first experimental indications of neutrino oscillations came from two different experiments failing to observe the predicted fluxes for the neutrinos coming from the Sun (the Homestake experiment in the 1970s, later beautifully extended and confirmed by SNO in 2002) and from the atmosphere (SuperKamiokande, 1998). Intriguingly, two recent results hint at an unknown neutrino disappearance at short baselines in a very similar way. The calibration runs of the Gallium-based experiments carried out in the late 1990s (SAGE, GALLEX) all systematically point to a shortage of observed neutrinos with respect to the expectations. Neutrino experiments exposed to nuclear reactors observe, too, a lack of neutrinos when compared to the latest computation of neutrino fluxes. The analogy with the historical discovery of neutrino oscillations is readily made: a fraction of the neutrinos from the Gallium experiments calibration sources and from the nuclear reactors would be oscillating into a fourth, unknown type of neutrino. This new neutrino would go undetected, which means it would interact with ordinary matter even less than the three known types (electron, muon and tau neutrinos). It is thus said to be a sterile neutrino. Since the neutrino baselines are rather short in the two cases, the neutrino oscillation length at the energies of these experiments would be of only a few meters. For more details, see, for instance, G. Mention et al., arXiv:1101.2755, Phys. Rev. D 83, 073006 (2011). Several experiments are, or will shortly be, underway with the goal of studying these anomalous experimental results. The STEREO experiment, sitting less than 10 m away from the core of the nuclear reactor at the Laue-Langevin Institute in Grenoble, is currently taking data till the end of 2019. Unlike the previous hints, which all rely on flux measurements, the STEREO concept consists in precisely measuring the energy spectrum of the reactor antineutrinos, and looking in it for the tell-tale distortions that a neutrino oscillation would induce. Indeed, the neutrino oscillation formula has a definite energy and baseline dependence that would be imprinted on the spectrum of the unoscillated neutrinos (recall that Posc = sin2(2θnew) sin2(Δm2new L/4 E)). The small reactor core size (diameter < 40 cm), the short neutrino baseline L (8 to 12 meters) and the good energy resolution of the STEREO experiment will allow us to confirm or refute the sterile neutrino hypothesis as an explanation for the anomalous results. The LAPP is in charge of the radioactive source calibration system, which is absolutely essential to the understanding of the absolute energy scale, and, more generally, the whole detector response. The PhD work revolves around two topics. The first one is the calibration of the detector, in which the LAPP takes a leading role. This work comprises data-taking responsibilities during the physics and calibration runs, the extraction of the calibration constants and the monitoring of their time evolution, and the implementation of improvements and corrections in the simulations and in the neutrino reconstruction software chain, especially regarding the computation of the neutrino energy. The second topic is the analysis itself of the neutrino data, the goal being to confirm or refute the oscillations to an unknown neutrino state. Apart from the selection criteria, that the student may be led to improve, the PhD candidate will study the signal and the backgrounds, and work on the statistical algorithms and models needed to extract the oscillation frequency and the mixing angle of the hypothetical oscillation, and derive the corresponding exclusion contours.