Épreuve expérimentale de la technique du neutrino tagging à NA62

Experimental proof of principle of the neutrino tagging at NA62

• Auteur / Autrice : Bianca De Martino
• Direction : Jürgen Brunner, Mathieu Perrin-Terrin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des Particules et Astroparticules
• Date : Soutenance le 10/11/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et sciences de la matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de physique des particules de Marseille (CPPM)
• Jury : Président / Présidente : Sandrine Emery
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jürgen Brunner, Mathieu Perrin-Terrin, Marie-Hélène Schune, Anselmo Meregaglia, Andrea Contu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Hélène Schune, Anselmo Meregaglia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Kaons

Oscillations des neutrinos

Violation de la règle CP (physique nucléaire)

Neutrinos

Mots clés libres

Neutrino

Trajectographe

Violation de cp

Neutrino

Tracker

Cp violation

Feasibility

Spectrometer

Oscillations

Résumé

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre de la physique des neutrinos aux accélérateurs. Dans ce contexte, une technique innovante est proposée, qui permettra de réduire significativement les incertitudes systématiques liées aux études des oscillations des neutrinos: la technique du neutrino tagging. Cette technique propose d'instrumenter une ligne de faisceau de neutrinos avec des détecteurs en silicium, afin de reconstruire cinématiquement les propriétés de chaque neutrino du faisceau produits dans les désintégrations pi^pm to mu^pm nuan_mu, K^pm to mu^pm nuan_mu. Le flux initial de neutrinos est donc précisement déterminé et l'énergie individuelle des neutrinos est reconstruite avec une résolution meilleure que 1%. De plus, grâce aux coincidences temporelles et angulaires, les neutrinos reconstruits cinématiquement par les trajectographes peuvent être associés individuellement aux neutrinos interagissant dans le détecteur de neutrinos. La mesure précise de leurs propriétés peut donc être utilisée pour des analyses de physique (par exemple, des oscillations, des sections efficaces). L'objectif principal de ce travail est de démontrer la faisabilité de la technique du neutrino tagging. La preuve de principe de cette méthode a été réalisée en utilisant l'expérience NA62 au CERN comme expérience de physique de neutrinos en miniature: son intense faisceau de kaons chargés produit des neutrinos lors de leur désintégration en K^+ to mu^+ nu_mu, ses spectromètres reconstruisent les propriétés des particules chargées, et son calorimètre électromagnétique sert de détecteur de neutrinos. La mise en œuvre de la technique du neutrino tagging dans le cadre d'une expérience de neutrinos à longue ligne de base est décrite en détail, de même que l'analyse en aveugle effectuée sur les données de NA62. Au terme de l'analyse, deux candidats neutrinos taggués ont été observés, démontrant ainsi la faisabilité de cette technique. Enfin, l'analyse des données provenant d'un test sur faisceau effectué sur des modules basés sur la technologie du GigaTracKer de NA62, visant à étudier la résolution temporelle dans les détecteurs en pixels de silicium, est présentée.

This thesis work objectives belong to the framework of neutrino physics at accelerators. In this context, an innovative technique is proposed, that will substantially reduce the systematic uncertainties linked to the neutrino oscillation studies: the neutrino tagging technique. The neutrino tagging technique proposes to instrument a neutrino beam line with silicon trackers to kinematically reconstruct properties of individual beam neutrinos produced in pi^pm to mu^pm nuan_mu, K^pm to mu^pm nuan_mu decays.As a result, the initial neutrino flux is precisely determined and the individual neutrino energy can be reconstructed with a resolution better than 1%. Moreover, based on time and angular coincidence, the neutrinos kinematically reconstructed by the trackers can be individually associated to the neutrinos interacting in the neutrino detector, such that the precise measurement of their properties can be used for physics analyses (e.g. oscillations, cross-section).The main aim of this work is to demonstrate the feasibility of the neutrino tagging technique.The proof of principle of the neutrino tagging method has been performed using the NA62 experiment at CERN as a miniature neutrino experiment: its intense kaon beam copiously produces neutrinos when decaying as K^+ to mu^+ nu_mu, its spectrometers act as tagger for the charged particles, and its electromagnetic calorimeter serves as neutrino detector. The implementation of the neutrino tagging at a Long Baseline Neutrino Experiment is described in detail, as well as the blind analysis performed on NA62 data. Two tagged neutrino candidates are found in the signal region, proving the feasibility of this technique. Finally, the data analysis on the data from a test beam performed on modules based on the NA62 GigaTracKer technology, aimed to study the time resolution budget in silicon pixel detectors, is presented.