Vers des mesures de haute précisions des oscillations des neutrinos dans les futures expériences à longues bases de vol

Toward high-precision measurements of neutrino oscillations in the future long baseline experiments

• Auteur / Autrice : Anna Ershova
• Direction : Alain Letourneau, Sara Bolognesi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 26/06/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département de physique nucléaire (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maria Benedetta Barbaro, Anselmo Meregaglia, Alessandra Tonazzo, Fabien Cavalier, Margherita Buizza Avanzini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maria Benedetta Barbaro, Anselmo Meregaglia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oscillations des neutrinos

Modèles nucléaires

Réactions nucléaires

Mots clés libres

Neutrinos accélérateurs

Modèles nucléaires

Oscillations des neutrinos

T2k

Accelerator neutrinos

Nuclear models

Neutrino oscillations

T2k

Résumé

Alors que la physique de l'oscillation des neutrinos entre dans l'ère de la précision, la modélisation des interactions neutrino-noyau constitue un défi grandissant comme source d'incertitude systématique pour les nouvelles mesures. Pour réduire ces incertitudes, une nouvelle génération de détecteurs est en cours de développement, qui vise à mesurer l'état final complet (exclusif) de l'interaction des neutrinos. Des simulations précises des effets nucléaires sur l'état final des nucléons sont alors nécessaires pour bénéficier pleinement des capacités améliorées des détecteurs.Dans ce travail de thèse, j'ai abordé ce problème en étudiant l'état final des interactions des neutrinos et des antineutrinos sur le noyau de carbone avec les modèles nucléaires INCL et ABLA. Au cours de ma thèse, j'ai également contribué au développement de l'amélioration du détecteur proche de l'expérience T2K. Le travail expérimental se concentre sur l'étalonnage de l'électronique et sur l'effet de la non-uniformité du champ magnétique pour les nouvelles chambres de projection temporelle à haut angle. Les études nucléaires se concentrent sur les interactions des particules de l'état final avec le milieu nucléaire en comparant les modèles de cascade NuWro et INCL et en considérant le modèle de désexcitation d'ABLA. INCL est un code de cascade nucléaire très avance' et principalement conçu principalement conçu pour simuler les réactions induites par les nucléons, les pions et les ions légers sur les noyaux. ABLA est un code de désexcitation couplé à INCL et capable de simuler toutes les particules émises par désexcitation. Cette thèse est la première étude utilisant le modèle INCL dans le cadre des interactions avec les neutrinos. C'est également la première étude utilisant ABLA pour les interactions de neutrinos. Elle met en évidence plusieurs nouveautés dans la modélisation de cette interaction, notamment la production de particules composites (par exemple, deutérons, particules alpha) dans l'état final et la modélisation de la libération complète de l'énergie d'excitation.La caractérisation de l'état final hadronique est présentée avec un accent particulier mis sur les variables de cinématique transverses et les comparaisons avec les mesures expérimentales disponibles. Les seuils des expériences actuelles sont trop hauts pour être sensibles aux différences entre les modèles et pour voir l'impact de la désexcitation, mais j'ai démontré qu'ils auront un impact lorsque la sensibilité des expériences s'améliorera. L'observabilité des particules composites sous forme de traces à l'intérieur du détecteur et leur contribution à l'activité du vertex sont également évaluées dans ce travail. J'ai démontré que leur modélisation peut avoir un impact significatif sur l'analyse et l'interprétation des données expérimentales, notamment pour l'identification des particules à faible inertie et la mesure des dépôts d'énergie autour du vertex des neutrinos. J'ai également utilisé INCL, implémenté dans Geant4, pour étudier les interactions secondaires des neutrons dans le détecteur en montrant qu'elles sont cruciales pour avoir une détection non-biaisée.L'étude présentée dans cette thèse introduit d'importantes nouveautés et constitue donc un jalon vers la simulation précise de re-interactions nucléaires et de la de-excitation nucléaire dans les interactions neutrino-noyau et, par conséquent, sur l'estimation des incertitudes dans la modélisation des états finaux exclusifs qui sont ciblés par la prochaine génération de détecteurs pour les expériences de longue durée.

As neutrino oscillation physics enters the precision era, modeling neutrino-nucleus interactions constitutes an increasingly challenging source of systematic uncertainty for new measurements. To confront such uncertainties, a new generation of detectors is being developed, which aim to measure the complete (exclusive) final state of neutrino interaction. Precise simulations of the nuclear effects on the final-state nucleons are needed to fully benefit from the improved detector capabilities. In this thesis work, I addressed this problem by studying the final state of the neutrino and antineutrino interactions on Carbon nucleus with INCL and ABLA nuclear models. During my thesis, I also contributed to the development of the upgrade of the T2K near detector.The experimental work is focused on electronics calibration and the effect of the non-uniformity of the magnetic field for the new High-Angle Time Projection Chambers. The nuclear studies focus on the re-interactions of final state particles with the nuclear medium (FSI) by comparing NuWro and INCL cascade models and considering the de-excitation model from ABLA. INCL is an evolved nuclear cascade code primarily designed to simulate nucleon-, pion- and light-ion-induced reactions on nuclei. ABLA is a de-excitation code coupled to INCL that can simulate all the particles emitted by de-excitation. This is the first study using the INCL model in the framework of neutrino interactions. It is also the first study using ABLA for neutrino interactions. It highlights various novelties in the neutrino interaction modeling, including the production of nuclear clusters (e.g., deuterons, alpha particles) in the final state and the simulation of the full release of excitation energy. The characterization of the hadronic final state after FSI is presented with a particular focus on the single transverse variables and comparisons to available experimental measurements of transverse kinematic imbalance. The thresholds of the current experiments are too large to be sensitive to the differences between the models and to see the impact of the de-excitation, but I show that they will have an impact when the sensitivity of the experiments will improve. The observability of nuclear clusters as tracks inside the detector and as a contribution to the vertex activity is also assessed in this work. Their modeling may significantly impact the analysis and interpretation of the experimental data, notably for identifying low-momentum particles and measuring energy deposits around the neutrino vertex. I also employed INCL implemented in Geant4 to study the neutron secondary interactions in the detector, showing they are crucial for an unbiased detection of neutrons.The study presented in this thesis introduces some important novelties, and it is, therefore, a milestone toward the precise simulation of FSIs, secondary interactions and de-excitation in neutrino-nucleus interactions and, thus, on the estimation of the uncertainties in the modeling of exclusive final states which are targeted by the next generation of detectors for long-baseline experiments.