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Sujets de thèse
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DRF : Sujet de thèse SL-DRF-20-0326

DOMAINE DE RECHERCHE
Physique des particules / Physique corpusculaire et cosmos
INTITULÉ DU SUJET Français English

Etude des performances du détecteur proche de l'expérience T2K et mesure de la violation de CP dans les oscillations des neutrinos

RÉSUMÉ DU SUJET

La découverte de la masse non nulle des neutrinos a ouvert une fenêtre sur une nouvelle physique au-delà du modèle standard. L'étude des oscillations de neutrinos est aujourd’hui un secteur très prometteur pour la recherche de nouveaux phénomènes inattendus. En particulier, l'analyse des oscillations des neutrinos et des anti-neutrinos auprès des expériences T2K et NOVA a fourni les premières indications sur la violation de CP dans le secteur leptonique. Si une violation de la symétrie CP pouvait être observée dans les neutrinos, ce serait une découverte majeure qui pourrait contribuer à résoudre l'une des questions les plus fondamentales à laquelle la physique s’attache à répondre qui est la prédominance de la matière sur l’antimatière dans l’Univers.

Les expériences T2HK et DUNE de longue ligne de base permettront de mesurer les oscillations des neutrinos avec de grands lots de données, et de réduire ainsi les incertitudes statistiques. Cela nécessitera donc un contrôle des incertitudes systématiques à un niveau de 1 à 2%. Les incertitudes les plus complexes étant la modélisation du flux des neutrinos et des interactions neutrino-noyau. Ainsi, le rôle des détecteurs proches et les mesures de la section efficace neutrino-noyau deviennent cruciaux. L'expérience T2K ouvre la voie à la prochaine génération d’expériences en améliorant la compréhension des incertitudes systématiques et en utilisant de nouvelles techniques sophistiquées de détection et d'analyse. L’objectif final est la découverte de la violation de CP dans le secteur leptonique, l’identification définitive de l’ordre des masses des neutrinos par les effets de matière et la mesure précise des paramètres d’oscillation dits « atmosphérique ».

La collaboration T2K prépare une mise à niveau du détecteur proche (ND280) qui sera installé en 2021, afin d'améliorer les performances du détecteur proche actuel. Ceci permettra de mesurer le taux d'interaction des neutrinos et par conséquent permettra de contraindre les sections efficaces d'interaction de neutrinos à Super-Kamiokande (le détecteur éloigné de T2K). L’incertitude systématique associée devrait être ramenée à environ 4% (contre environ 8% à ce jour). Cela améliorera la portée physique du projet T2K, permettant une exclusion à 3 sigma de la conservation du CP.

La mise à niveau du détecteur ND280 consiste à ajouter un détecteur à scintillation très granulaire, le Super-FGD, pris en sandwich entre deux détecteurs de type Time Projection Chamber (TPC) à grand angle. Les nouvelles TPC seront lues par des détecteurs Micromegas résistifs et instrumentées avec une cage de champ compacte et légère. Le SuperFGD permettra un seuil beaucoup plus bas pour la reconstruction des particules (notamment pour les protons) et, pour la première fois à T2K, la mesure des neutrons. La TPC mesurera la charge, la quantité de mouvement et les directions des traces produites par des particules chargées et fournira une identification des particules par la mesure de dE/dx avec une excellente efficacité et précision. Les détecteurs prototypes des nouvelles TPC ont été testés avec succès en 2018 et 2019 au CERN et à DESY lors des campagnes de tests en faisceaux validant ainsi les technologies de détection et leurs performances.

Le groupe de l’IRFU est fortement impliqué dans le projet TPC, notamment dans la production et les tests de détecteurs Micromegas. La première partie de la thèse sera consacrée aux analyses des données des tests de TPC. L'étudiant participera à la prise de données des tests en faisceaux prévue en octobre 2020 à DESY ainsi qu’à l'analyse de ces données. Les travaux porteront sur la caractérisation de la résistivité du Micromegas et la résolution spatiale et énergétique (dE/dx) qui en découlent. Le groupe de l’IRFU développe actuellement un modèle quantitatif pour estimer la résistivité des modules de TPC qui sera inclus dans la simulation. Un algorithme de reconstruction précis sera mis au point, basé sur l’approche appelée « Pad Response Function ». Ce sera la première mesure détaillée de la résistivité, de l’uniformité et de la résolution correspondante des MicroMegas résistifs dans un détecteur complet à grandes surfaces et aura par conséquent un impact important sur la validation de cette technologie en vue de son développement ultérieur.

La construction du détecteur pour la mise à niveau du détecteur ND280 sera achevée en 2019-2020, pour une installation au Japon prévue en 2021. L'étudiant contribuera également à l'installation et à la mise en service du détecteur ND280.

La deuxième partie de la thèse sera consacrée à l'analyse des données de T2K issues des faisceaux des neutrinos, recueillies avec le détecteur amélioré ND280, afin d'extraire une nouvelle mesure, la plus précise possible, des oscillations de neutrinos. Grâce à l'augmentation de la statistique des données et au contrôle amélioré des incertitudes systématiques avec la mise à niveau du ND280, le projet a le potentiel de réaliser les meilleures contraintes mondiales en matière de violation de CP dans le secteur leptonique. Les travaux porteront sur la définition du choix des nouveaux échantillons de données pour l’analyse, l'évaluation des incertitudes systématiques expérimentales correspondantes et la modification du cadre d'analyse pour l'ajustement des paramètres d'oscillation des neutrinos. L'extraction des contraintes du détecteur proche doit être profondément modifiée pour inclure les informations des protons et des neutrons détectés provenant des interactions du neutrino avec les noyaux ; ces protons et ces neutrons ne sont pas pris actuellement en compte dans l’analyse. Parallèlement, les incertitudes systématiques théoriques devront être réévaluées sur la base des nouveaux modèles exclusifs d'interactions neutrino-noyau.

FORMATION NIVEAU MASTER RECOMMANDÉ

Master 2

INFORMATIONS PRATIQUES
Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service de Physique des Particules
Groupe Neutrinos Accélérateurs (GNA)
Centre : Saclay
Date souhaitée pour le début de la thèse : 01/10/2020
PERSONNE À CONTACTER PAR LE CANDIDAT

Samira Hassani  

CEA
DRF/IRFU/SPP/Atlas
CEA Saclay
DRF/IRFU/SPP
91191 Gif Sur Yvette cedex

Téléphone : +33 1 69 08 72 26

UNIVERSITÉ / ÉCOLE DOCTORALE
Paris-Saclay
PHENIICS
DIRECTEUR DE THÈSE

Sandrine EMERY

CEA
DSM/IRFU/SPP/TK2
Irfu/SPP
Bat 141
CEA/Saclay