Tomographie par absorption et par oscillation de la terre profonde avec KM3NeT et les futurs détecteurs de neutrinos atmosphériques

Absorption and oscillation tomography of the deep Earth with KM3NeT and future atmospheric neutrino detectors

• Auteur / Autrice : Lukas Maderer
• Direction : Édouard Kaminski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 21/10/2022
• Etablissement(s) : Université 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-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques-Emmanuel Marteau, Livia Ludhova, Arwen Deuss, Thomas Eberl, Thomas Patzak
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jacques-Emmanuel Marteau, Livia Ludhova

Mots clés

Mots clés contrôlés

Limite noyau-manteau

Terre -- Noyau

Tomographie sismique

Absorption

Oscillations des neutrinos

Mots clés libres

Neutrino

Oscillation

Absorption

Terre

Matière

Tomographie

Neutrino

Oscillation

Absorption

Earth

Matter

Tomography

Résumé

La structure et la composition de la Terre profonde sont déterminées par des méthodes sismiques, et des modèles géochimiques basés sur des météorites primitives. Les contraintes apportées par ces techniques laissent cependant des questions sans réponse, comme la composition exacte du noyau externe ou la nature des zones présentant des anomalies sismiques à la limite noyau/manteau (LLSVP). Les neutrinos sont des particules élémentaires neutres qui n'interagissent avec la matière que par la force faible et sont donc capables de couvrir de grandes distances, même à travers des milieux denses comme la Terre. Ils ouvrent ainsi une nouvelle voie pour étudier la Terre profonde. En étudiant l'absorption des neutrinos atmosphériques >~ 30TeV, la tomographie d'absorption permet de tirer des conclusions sur la densité moyenne de matière le long du trajet des neutrinos. De plus, à des énergies de quelques GeV, la tomographie d'oscillation exploite le fait que les oscillations de saveur des neutrinos sont affectées par la densité d'électrons le long de la trajectoire du neutrino, une observable liée à la fois à la densité de matière et à la composition chimique des milieux traversés. Les premières études de cette thèse sont réalisées pour les deux détecteurs de Cherenkov à eau ARCA et ORCA, actuellement en cours de construction dans la mer Méditerranée dans le cadre de l'infrastructure KM3NeT. La réponse du détecteur est modélisée à l'aide de simulations Monte Carlo développées au sein de la collaboration KM3NeT. La tomographie par absorption avec ARCA peut résoudre le profil de densité radiale moyen de la Terre avec une séparation claire du noyau et du manteau. La précision de la mesure avec les neutrinos atmosphériques est insuffisante pour étudier des structures plus fines, mais de meilleurs résultats pourraient être obtenus en exploitant le flux de neutrinos astrophysiques de haute énergie tel qu'observé par IceCube. Pour ORCA, les variations de densité par rapport au PREM peuvent être contraintes avec une précision respective de +20%/-32% pour le noyau interne et de +/-5% pour le manteau inférieur, avec 10 années de données. Sur la même échelle de temps, ORCA pourrait contraindre les variations de densité des grandes anomalies sismiques dans le manteau profond à +24%/-21 %. La sensibilité au rapport proton/nucléon (Z/A) dans le noyau externe est quant à elle de +/-5 %. La deuxiéme partie de cette thèse utilise une approche plus générique basée sur des fonctions de réponse paramétrées, permettant de comparer les capacités d'ORCA avec d'autres détecteurs de neutrinos actuellement en construction, tels que le détecteur HyperKamiokande à eau-Cherenkov et l'expérience DUNE à argon liquide. Hyper-Kamiokande offre la plus grande sensibilité à la composition du noyau externe (Z/A), avec une précision de +/-2.5 %. Cependant, une précision inférieure à un pour cent reste nécessaire pour distinguer les modèles concurrents de composition du noyau. Un détecteur hypothétique de "nouvelle génération", de taille et de capacité de détection accrues, est proposé à cet effet. Bien que la réalisation d'un tel détecteur soit difficile avec les budgets et technologies actuels, il apporterait une contribution significative à la connaissance de la composition du noyau externe et de la nature des anomalies sismiques, donc à la compréhension de l'origine et de la dynamique de la Terre profonde.

Structure and composition of the deep Earth are constrained by seismic methods and geochemical models based on primitive meteorites. These leave some questions unsolved, such as the exact composition of the outer core or the nature of seismic anomalies at the core/mantle boundary (LLSVP). Neutrinos are neutral elementary particles that only interact with matter by the weak force and are thus able to cover large distances even through dense media such as the Earth, opening a new window to study our planet's interior. By studying absorption of atmospheric neutrinos >~ 30TeV, absorption tomography allows to draw conclusions about the average matter density along the neutrino path. Furthermore, at energies of a few GeV, oscillation tomography exploits the fact that neutrino flavour oscillations are affected by the electron density along the neutrino path, an observable connected to both the matter density and chemical composition of the traversed media. The first studies in this thesis are performed for the two water-Cherenkov detectors ARCA and ORCA, currently being built in the Mediterranean Sea as part of the KM3NeT infrastructure. The detector response is modelled using Monte Carlo simulations developed within the KM3NeT Collaboration. Absorption tomography with ARCA can resolve the average radial density profile of the Earth with a clear separation of core and mantle. The precision from studying atmospheric neutrinos alone appears insufficient to study finer structures. Improvements could come by exploiting the high energy astrophysical neutrino flux, as detected by IceCube. From oscillation tomography with ORCA, density variations compared to PREM can be constrained with a respective precision of +24%/-32% for the inner core and +/-5% for the lower mantle, with 20 yr of ORCA data. In the same timescale, ORCA could constrain the density variations of large seismic anomalies in the deep mantle to +24%/-21 %. The sensitivity to the proton-to-nucleon ratio (Z/A) in the outer core was found to be +/-5 %. The second part of this thesis uses a more generic approach based on parameterised response functions, allowing to compare the capabilities of ORCA with other neutrino detectors currently under construction, such as the water-Cherenkov detector Hyper-Kamiokande and the Liquid Argon experiment DUNE. HyperKamiokande is found to provide the highest sensitivity to the outer core composition (Z/A), with with a precision of ~2.5 %. However, a sub-percent precision is needed to distinguish concurrent models of core composition. A hypothetical 'Next-Generation' detector with enhanced size and detection capabilities is proposed for that purpose. Albeit the realisation of such a detector seems challenging with current budgets and technologies, it could make a significant contribution to the knowledge of the outer core composition, as well as the nature of LLSVPs, hence the understanding of deep Earth dynamics.