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Study of Atmospheric Neutrino Oscillations with the ANTARES Neutrino Telescope Illénia Salvadori

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Study of Atmospheric Neutrino Oscillations with the ANTARES Neutrino Telescope Illénia Salvadori Study of atmospheric neutrino oscillations with the ANTARES neutrino telescope Illénia Salvadori To cite this version: Illénia Salvadori. Study of atmospheric neutrino oscillations with the ANTARES neutrino telescope. Physique des Hautes Energies - Expérience [hep-ex]. Aix Marseille Université, 2018. Français. tel- 02265258 HAL Id: tel-02265258 http://hal.in2p3.fr/tel-02265258 Submitted on 9 Aug 2019 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. AIX-MARSEILLE UNIVERSITÉ Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière CPPM Centre de Physique des Particules des Marseille Thèse présentée pour obtenir le grade universitaire de docteur Physique des Particules et Astroparticules Ilenia SALVADORI Etude des oscillations de neutrinos atmosphériques avec le télescope à neutrinos ANTARES Study of atmospheric neutrino oscillations with the ANTARES neutrino telescope Soutenue le 10/10/2018 devant le jury composé de: Caren HAGNER Hamburg University Rapporteur Sergio NAVAS-CONCHA University of Granada Rapporteur Cristinel DIACONU CPPM Examinateur Thierry LASSERRE CEA/IRFU Saclay Examinateur Veronique VAN-ELEWCYCK Paris Diderot University Examinateur José BUSTO CPPM Examinateur Jürgen BRUNNER CPPM Directeur de thèse Numéro national de thèse/suffixe local: 2018AIXM0283/026ED352 Suffixe CPPM: CPPM_T_2018_04 2 Résumé en français Les neutrinos sont probablement les particules les plus particulières connues à ce jours. De la première hypothèse sur leur existence, en 1930, jusqu’à aujourd’hui, ils ont incité les scientifiques à élaborer des techniques expérimentales novatrices et à développer des modèles théoriques pour expliquer et étudier leurs propriétés. Les neutrinos sont produits dans une grande variété de processus, à la fois na- turels et artificiels, couvrant une vaste gamme d’énergies et nécessitant donc un nombre impressionnant de dispositifs expérimentaux différents pour être étudiés. En raison de leur section efficace extrêmement faible, des installations expérimentales énormes sont nécessaires pour détecter les interactions des neutrinos. En revanche, la nature faiblement interactive de ces particules, qui permettent aux neutrinos de parcourir de grandes distances sans être déviés par quoi que ce soit, offre un énorme potentiel pour l’étude des sources galactiques et extra-galactiques dans lesquelles les neutrinos sont produits. Cette propriété est à la base de l’astronomie des neu- trinos et, la combinaison de la détection des neutrinos de ces sources à celle des autres particules - rayons γ et X, ondes radio et gravitationnelles - a ouvert l’ère de l’astronomie multi-messager. Les neutrinos sont également intéressants pour leurs propriétés intrinsèques. Au- jourd’hui nous connaissons trois différents types de neutrinos, appelés saveurs: le neutrino électronique (νe), le neutrino muonique (νµ) et le neutrino tau (ντ ). Il est bien établi que les neutrinos sont affectés par le phénomène des oscillations, ce qui 4 signifie que les états propres quantiques dans lesquels un neutrino peut être détecté, les états propres de saveur, ne sont pas les mêmes que les états propres lors de la propagation des neutrinos, les états propres de masse. Les états propres de saveur et de masse sont liés par une matrice non diagonale, ce qui implique qu’un neu- trino peut être détecté dans une saveur différente de celle qu’il avait au point de production. La mesure précise des paramètres qui régulent le mélange entre états de saveur et de masse a représenté l’un des principaux objectifs pour les physiciens des neutrinos depuis la découverte des oscillations des neutrinos. Le phénomène des oscillations de neutrinos prouve directement que les neutrinos sont des particules massives, par rapport à ce qui avait été initialement supposé dans le Modèle Standard de la Physique des Particules. Même si les expériences d’oscillation des neutrinos ne sont pas sensibles à la valeur absolue des masses de neutrinos, la différence entre le carré des états propres de masse peut être déter- minée. La physique des neutrinos est l’un des sujets les plus actifs en physique des par- ticules aujourd’hui, et beaucoup d’informations manquent encore pour compléter notre compréhension de ces particules. Jusqu’à présent, en fait, une seule des deux différences de masse indépendantes a été déterminé avec sa valeur et avec son signe, laissant deux ordonnancements possibles pour les états propres de masse de neutri- nos. Cette ambiguité est connue sous le nom de problème de hiérarchie des masses. Une première indication de l’ordonnancement de masse préférée experimentalement a été récemment donnée, et plusieurs nouvelles experiences sont en construction afin de trouver une réponse définitive. Une autre ambiguïté qui n’a pas encore été fixée concerne la nature intrinsèque des neutrinos. Deux scénarios sont en effet possibles: celui qui décrit les neutrinos comme la même particule que l’anti-neutrino (neutrinos de Majorana), et celui qui distingue les deux (neutrinos de Dirac). La désintégration double β sans neutrinos 5 est un processus qui ne serait possible que si les neutrinos étaient des particules de Majorana. Jusqu’à présent, ce processus n’a jamais été observé, mais de nombreuses installations expérimentales ont été mises en place pour étudier la possibilité d’un tel phénomène et déterminer la nature des neutrinos. De plus, plusieurs anomalies expérimentales observées semblent indiquer une im- age plus complexe en ce qui concerne le scénario standard à trois saveurs de neutri- nos. Des modèles théoriques dans lesquels un ou plusieurs types supplémentaires de neutrinos, appelés stériles, existent, ont été étudiés. Ces neutrinos supplémentaires ne participeraient pas aux interactions avec la matiere ordinaire comme les neutrinos actifs, mais leur présence modifierait en tout cas les probabilités d’oscillation stan- dard des autres saveurs, introduisant des distorsions qui peuvent être décrites par des paramètres de mélange supplémentaires. Plusieurs expériences tentent actuelle- ment de contraindre l’espace des paramètres de ces nouveaux modèles, et de faire la lumière sur ce problème. ANTARES est un télescope à neutrinos situé au fond de la Mer Méditerranée, à 40 km au large de Toulon (France). Il est composé de 12 lignes de détection, chacune équipée de 25 modules optiques (OMs) répartis en groupes de 3 (étages), à l’exception de la ligne 12 qui ne compte que 20 OMs. La technique de détec- tion d’ANTARES repose sur le rayonnement Cherenkov émis par les particules chargées ultra-relativistes produits par les interactions des neutrinos. ANTARES a été achevé en 2008 et il a été optimisé pour la détection de neutrinos de très haute énergie, provenant de sources galactiques et extra-galactiques. Le seuil en énergie d’ANTARES, d’environ 20 GeV, permet également d’étudier le phénomène des oscillations de neutrinos, à travers la détection des neutrinos atmosphériques qui ont traversé la Terre avant d’interagir à proximité du volume du détecteur. En effet, pour un neutrino muonique atmosphérique verticalement ascendant, le premier minimum d’oscillation est atteint à une énergie d’environ 25 GeV, ce qui est encore 6 détectable par ANTARES. L’objectif principal de ce travail de thèse est de fournir une nouvelle mesure des paramètres d’oscillation des neutrinos atmosphériques, en utilisant dix années de données collectées par le télescope à neutrinos ANTARES. Une analyse an- térieure avec les données ANTARES recueillies de 2007 à 2010 avait déjà été publiée. L’objectif de cette thèse est d’améliorer les résultats d’une telle analyse, en utilisant un échantillon de données beaucoup plus important ainsi qu’une nouvelle chaîne d’analyse. A cette fin, deux algorithmes de reconstruction d’événement ont été com- binés afin d’améliorer les statistiques et differents critères de sélection d’événements spécifiques ont été testé contre la contamination du bruit de fond. Alors que la première analyse des oscillations d’ANTARES ne tenait compte que d’un effet de normalisation systématique global, différentes sources de systématiques ont été étudiées et prises en compte dans cette nouvelle analyse. Diverses incerti- tudes liées aux flux ont été mises en œuvre, ainsi que des incertitudes liées aux sections efficaces. L’effet de la systématique liée au détecteur, telle qu’une variation de la valeur nominale de l’efficacite de détection de photons des OMs, a été étudié. De plus, le bruit de fond dû aux muons atmosphériques a été évalué au moyen d’une technique basée sur les données, tandis que les distributions d’énergie et les distri- butions angulaires ont été calculées à partir de simulations Monte Carlo (MC). Afin de trouver l’ensemble des paramètres d’oscillation des neutrinos atmo- sphériques qui décrivent le mieux les données, une approche de log-likelihood a été suivie, réalisant une minimisation 2D sur les distributions d’énergie et angulaires. L’analyse entière a d’abord été testée avec une étude de sensibilité basée sur MC, à savoir la construction d’un échantillon de pseudo-données en utilisant les événe- ments MC. De cette manière,
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