Etude de propriétés non standard du neutrino avec Borexino : mesure du taux de 8B solaire et caractérisation de la source de 144Ce pour tester l'hypothèse stérile dans l'expérience SOX

Testing non-standard neutrino interactions from 8B solar neutrino rate measurement with Borexino to characterization of the 144Ce source of the SOX experiment.

• Auteur / Autrice : Thibaut Houdy
• Direction : Davide Franco, Thierry Lasserre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Physique de l'Univers
• Date : Soutenance le 18/09/2017
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Alessandra Tonazzo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Davide Franco, Thierry Lasserre, Alessandra Tonazzo, Anselmo Meregaglia, Stefan Schönert, Gautier Hamel de Monchenault, Laurent Simard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anselmo Meregaglia, Stefan Schönert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neutrinos solaires

Neutrinos

Oscillations des neutrinos

Mots clés libres

Neutrino stérile

SOX

Borexino

Effet MSW

Source de 144Ce

8B

Sterile neutrino

SOX

Borexino

MSW effect

144Ce source

8B

Résumé

Le détecteur Borexino, situé au laboratoire souterrain du Gran Sasso (LNGS), mesure les neutrinos solaires depuis 10 ans. Parmi les neutrinos solaires, le spectre continu du 8B jusqu’à 17 MeV permet de tester la zone de transition de l’effet de résonance dans la matière dit effet MSW. Cette nouvelle analyse augmente d’un ordre de grandeur la statistique par rapport à la précédente mesure de Borexino publiée en 2011. Pour ce faire, l’ensemble du volume scintillant a été inclus dans l’analyse, aucune coupure géométrique n’ayant été effectué au dessus de 5 MeV. Cela a permis l’identification d’un nouveau bruit de fond non pris en compte précédemment. L’ensemble des bruits de fond au dessus de 3 MeV est maintenant compris et la composante neutrino peut-être extraite d’un fit radial du détecteur. Afin de tester l’existence d’un neutrino stérile léger, une source de 3-5,5 PBq de 144Ce sera installée sous Borexino au début de l’année 2018 pour un an et demi de prise de données : c’est l’expérience CeSOX. Cette source est produite par PA MAYAK par purification de combustible nucléaire usagé, par conséquent les potentiels contaminants radioactifs sont très nombreux et peu contraints. Pour tester l’hypothèse stérile, une mesure en flux, une mesure en forme et une mesure combinée seront effectuées dans l’ensemble du détecteur Borexino. Ces mesures sont fortement dépendantes de la connaissance intime de la source (composition, forme du spectre beta du 144Ce, énergie moyenne 144Ce et 144Pr). A cette fin, un spectromètre gamma a été spécifiquement étalonné et entièrement simulé au CEA, Saclay. De même un spectromètre beta a été dessiné, assemblé, simulé et est en cours d’étalonnage. Finalement, des mesures de spectrométrie alpha et de masse seront réalisés sur des échantillons représentatifs envoyés au CEA, Saclay afin de contraindre au mieux la composition de la source de 144Ce de SOX.

Located in the Gran Sasso underground laboratory (LNGS), Borexino measures solar neutrinos for 10 years. Among solar neutrinos, 8B continuous spectrum (up to 17 MeV) enables to test the transition zone between vacuum and matter regime of the MSW effect. This new measurement increases by one order of magnitude the exposure with respect to previous Borexino publication. To do so, the entire active volume is considered in this analysis above 5 MeV. A new background has been identified and a radial fit is done above 3 and 5 MeV enabling to extract the neutrino component. Existence of a light sterile neutrino would have important consequences on astrophysics and cosmology. SOX is the only experiment aiming at testing this hypothesis using a punctual radioactive source. A 3-5.5 PBq 144Ce source is actually under production and will be positioned under Borexino in 2018. Precise knowledge of the source is one of the main challenge of this experiment, based on rate and shape neutrino measurement. Two critical parameters are the heat released by the source for activity measurement and the expected neutrino spectrum in the detector. We first describe the SOX experiment insisting on 144Ce source production. Then, we focus on Saclay installations dedicated to constrain radioactive contamination inside the source using representative samples. Alpha, gamma and mass spectroscopy calibration and simulation are discussed and competitive constrains are derived. A status on 144Ce beta shape measurements is done as well as presentation of future measurement.