Development of the source calibration system of the STEREO experiment and search for sterile neutrinos at the ILL

par Luis Manzanillas

Thèse de doctorat en Physique subatomique et astroparticules

Sous la direction de Dominique Duchesneau.

Soutenue le 10-10-2016

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de physique des particules (laboratoire) .

Le président du jury était Giovanni Lamanna.

Le jury était composé de Eric Baussan, Pablo Del Amo Sanchez.

Les rapporteurs étaient Alessandra Tonazzo, Alain Letourneau.

mots clés

• Neutrinos stériles
• Oscillation du neutrino
• Stereo
• Neutrinos

Titre traduit

Développement du système de calibration par sources de l’expérience STEREO et recherche de neutrinos stériles auprès de l'ILL

Résumé

L'expérience STEREO a été proposé afin de donner une réponse sans ambiguïté à l'idée d'un état de neutrino stérile léger (∆m² ∼ 1eV²) comme l'origine de l'anomalie réacteur des antineutrinos. Le but de l'expérience est de confirmer ou de rejeter cette hypothèse en recherchant un patron d'oscillation à courte distance (9-11 m) dans le spectre en énergie des ν¯e's émis par le réacteur nucléaire de recherchede l'Institut Laue-Langevin à Grenoble (France). A cet effet, le détecteur est composé de 2 tonnes du liquide scintillant dopé au Gd et lu par un réseau detubes photomultiplicateurs, et est segmenté en 6 cellules dans la direction de propagation des antineutrinos. Les ν¯e's sont détectés par le processus IBD en observant un signal corrélé dans le temps d'un dépôt d'énergie rapide d'un positron et un signal retardé produit par la capture d'un neutron. La mesure des petites oscillations deformant le spectre d'énergie des antineutrinos nécessite une bonne résolution en énergie et une excellente connaissance de la réponse du détecteur. Ce manuscrit présente une étude de simulation détaillée basée sur le logiciel Geant 4 STEREO, ce quia permis le développement du système de calibration par sources. Ce système a été conçu pour répondre à toutes les exigences physiques de STEREO: calibrer l'échelle de l'énergie et de l'efficacité de capture de neutrons au niveau de 2%, connaître la réponse en énergie dans le spectre d'énergie réacteur antineutrino(1-8 MeV), étudier et la caractériser la réponse et des non-uniformités du détecteur. A cet effet, on propose un système de calibration consistant en trois sous-systèmes : un sous-système automatisé pour déplacer des sources radioactives autour du détecteur pour calibrer l'échelle en énergie dans chaque cellule de manière indépendante. Un second sous-système pour déplacer une source AmBe sous le détecteur, dont l'objectif est d'inter-calibrer l'efficacité de capture de neutrons entre les cellules. Enfin, un troisième système manuel qui consistent en trois tubes de calibration placés à l'intérieur du liquide scintillante pour évaluer l'efficacité absolue de la capture des neutrons dans trois cellules différentes. La dernière partie de ce manuscrit est consacré à l'étude et la caractérisation du bruit de fond gamma et les signaux neutrino attendus.

mots clés

• Sterile neutrino
• Neutrino oscillation
• STEREO experiment

Résumé

The STEREO experiment has been proposed to give an unambiguous response to the hypothesis of a light sterile neutrino state (∆m² ∼ 1eV²) as the origin of the reactor antineutrino anomaly. Its goal is to confirm or reject this hypothesis by searching at short distance (9-11 m) for a neutrino oscillation pattern in the energy spectrum of the ν¯e’s emitted by the research nuclear reactor of the Laue-Langevin Institute in Grenoble (France). To this end, the detector is composed of 2 tons of Gd-loaded liquid scintillator read out by an array of PMTs, and is segmented in 6 cells in the direction of the ν¯e’s propagation. Antineutrinosare detected via the IBD process by observing a time correlated signal composed of a prompt energy deposit from a positron and a delayed signal produced by the neutron capture. Measuring small oscillations superimposed on the reactor antineutrino energy spectrum requires a good energy resolution and an excellent knowledge of the detector response. This manuscript presents a dedicated Geant 4 simulation study of a calibration system based on radioactive sources. This system has been conceived to fulfill all the STEREO physics requirements: calibrating the energy scale and the neutron capture efficiency at the 2 % level, knowing the energy response in the reactor antineutrino energy spectrum (0-8 MeV),and characterizing the detector response in a broader sense (non-uniformities, non-linearity, particle identification, etc). To this end, we propose three calibration subsystems: one automated subsystem to move radioactive sources around the detector, whose main role is to calibrate the energy scale in each cell independently; a second subsystem to inter-calibrate the neutron capture efficiency between cells by moving an AmBe source under the detector; and finally, a third subsystem consisting in three manual calibration tubes inside the liquid scintillator, necessary to assess the absolute neutron capture efficiency inside three different cells. The final part of this manuscript is devoted to the study of the selection criteria, and the proposal of methods to reject the expected gamma background.