Thèses

Soutenance de thèse : Recherche d'un neutrino stérile avec l'expérience STEREO : détermination des spectres neutrinos et caractérisation du bruit de fond

by Laura Bernard

vendredi 4 octobre 2019 de à (Europe/Paris)
at LPSC ( Grand Amphithéâtre )
Description
Résumé : L’anomalie des antineutrinos de réacteurs (RAA) a été mise en évidence en 2011 suite à la réévaluation des flux prédits. Le déficit de 6% dans les taux mesurés auprès de réacteurs peut être expliqué soit par un biais dans la prédiction, soit par l’introduction d’un neutrino stérile à l’eV qui se manifesterait seulement par le mécanisme d’oscillation. Afin d’explorer l’espace des paramètres d’oscillation favorisés par la RAA tout en s’affranchissant de la prédiction, l’expérience Stereo compare les spectres en énergie des $\bar{\nu}_{e}$ détectés à différentes longueurs de propagation grâce à une cible segmentée en six cellules située à [9-11] m du cœur hautement enrichi en 235U de l’ILL, à Grenoble. La détection est effectuée sur les protons libres d’un scintillateur liquide par désintégration β inverse (IBD). Le but de cette expérience de surface étant la mesure des spectres en énergie des $\bar{\nu}_{e}$ au pourcent près, les deux enjeux de Stereo sont la maîtrise de l’échelle en énergie et des bruits de fond environnants. Cette thèse propose en premier lieu une optimisation des coupures utilisées pour la sélection du signal $\bar{\nu}_{e}$. La deuxième partie est dédiée à l’estimation du bruit d’origine cosmique lors des périodes d’arrêt du réacteur, permettant la soustraction de celui-ci aux périodes de marche. Sa composante dominante est constituée de neutrons rapides qui peuvent être discriminés par l’observable clé de PSD (discrimination par forme d’impulsion), dont l’étalonnage est essentiel. La PSD représente le point central de la méthode originale d’extraction des spectres en énergie des $\bar{\nu}_{e}$, qui constitue le travail majeur de cette thèse. La dernière partie présente deux interprétations statistiques des spectres $\bar{\nu}_{e}$ obtenus. L’analyse d’oscillation indique que le meilleur ajustement de la RAA est rejeté avec un niveau de confiance de 99%. Parallèlement, un premier – et préliminaire – spectre en énergie des $\bar{\nu}_{e}$ provenant des fissions de l’235U est présenté. Il montre une tension à haute énergie avec la prédiction et ne révèle pas de signe de l’excès à 5 MeV.

Abstract : The reactor antineutrino anomaly (RAA) was revealed in 2011 following the reevaluation of the predicted flux. The 6% deficit in the measured rate near nuclear reactors can be explained either by a bias in the prediction, or the introduction of a sterile neutrino at the eV mass scale, participating in the mixing with the other neutrinos. In order to probe the existence of such a neutrino, and in order to be independant from the prediction, the Stereo experiment compares the $\bar{\nu}_{e}$ energy spectra detected at different propagation lengths thanks to a segmented target located at [9-11] m from the highly enriched 235U reactor core of the ILL, Grenoble, France. The detection uses an inverse β decay (IBD) on the protons of a liquid scintillator. The light yield allows for a good energy resolution, which is important for the measurement of the $\bar{\nu}_{e}$ spectra at the percent level. In order to limit the impact of an uncertainty on the energy scale, this thesis describes an optimization of the cuts used for the $\bar{\nu}_{e}$ selection. One of the major challenges of this surface experiment is the control of the cosmic background, the latter being estimated from the reactor-OFF periods and subtracted from the reactor-ON periods. As described in this thesis, it mostly generates fast neutrons, and it can be strongly reduced by the key observable of PSD (pulse shape discrimination). The calibration of the PSD is essential for the good subtraction of the background and is the central point of the creative $\bar{\nu}_{e}$ spectra extraction method that is described in this thesis. The spectra are used to perform the oscillation analysis : the best fit of the RAA is rejected at 99% C.L. Also, a preliminary first pure 235U $\bar{\nu}_{e}$ spectra is presented, revealing tensions with the prediction at high energies and no sign of the 5 MeV bump.