De l'effet des interactions nucléaires dans les réactions de neutrinos sur des cibles d'oxygène et de son rôle dans l'anomalie des neutrinos atmosphèriques
Résumé
Atmospheric neutrinos are produced by interactions of the cosmic rays with the atmosphere's nuclei. The detection of these neutrinos on Earth is currently achieved with large underground water Cerenkov detectors. These experimental observations are compatible with a deficit of detected muonic neutrinos in comparison with the theoretical predictions. Thus the observed ratio of muonic to electronic neutrinos is smaller than the theoretical one (up to a factor 2) and this constitutes the so-called atmospheric neutrino anomaly. This anomaly could be linked to that observed in the solar neutrinos experiments. If so, interpretations in terms of neutrino oscillations on their way from the place where they are produced and the place where they are detected could be attractive explanations. These oscillation phenomena assume the existence of massive neutrinos and therefore require the introduction of new theoretical mechanisms beyond the Minimal Standard Model. The aim of this work is to evaluate the effects of nuclear correlations on the interactions between the atmospheric neutrinos and the oxygen nuclei of the water Cerenkov detectors. The products of these interactions, if emitted above the Cerenkov threshold, are detected and identified thanks to the Cerenkov light ring they produce. The events are then classified according to the number of produced rings. It is therefore absolutely necessary to compute the neutrino-oxygen events rates in each exclusive reaction channel. The interpretation of the experimental results has been up to now limited to the quasi-elastic nucleon and Delta channels. Beyond this approximation, there exists other reaction channels which are able to lead to misidentification problems. Among these the non pionic disintegration channels of the Delta resonance play a special role in the sense that they induce single ring events that have not been considered up to now. To perform such calculations we adopt the nuclear response formalism. Our approach starts with a semi-classical approximation. This allows us to include in an economic way the effects of the nuclear correlations by solving exactlty the RPA equations in the ring approximation. The results we have obtained show that the nuclear correlations strongly modify the inclusive and exclusive neutrino-oxygen cross-sections and absolute interaction rates and that the ratio of the interaction rates mu/e is not very much affected by these nuclear effects. The analysis in the exclusive channels leads to the result that the number of pions predicted in the simulations is overestimated. In conclusion this work has shown the importance of the nuclear correlations in the neutrino-oxygen interaction and its impact on the atmospheric neutrino anomaly. It goes beyond the usual quasi-elastic approximations and can be moreover extended to others target-nuclei, such as iron, already used in past experiments. It is an interesting and predicitive tool for future neutrinos experiments based on differents kinds of nuclear targets.
Les neutrinos atmosphériques sont produits lors d'interactions de particules cosmiques sur les noyaux de l'atmosphère terrestre. La détection de ces neutrinos sur Terre est effectuée pour une bonne part au moyen de grands détecteurs Cerenkov à eau. Les résultats de plusieurs générations de tels détecteurs ont permis de mettre en évidence un déficit entre le nombre de neutrinos atmosphériques de type muonique détectés et les prévisions théoriques. Ceci se traduit par un rapport entre les neutrinos de type muonique et les neutrinos de type électronique inférieur aux calculs théoriques (jusqu'à un facteur 2) et constitue l'anomalie des neutrinos atmosphériques. Cette anomalie pourrait se rapprocher de celle que de nombreuses expériences ont relevée dans la détection des neutrinos solaires. Si tel était le cas, des interprétations en terme d'oscillations de neutrinos sur le trajet séparant leurs lieux de production et de détection se révèleraient adéquates. Ces phénomènes d'oscillations supposent l'existence de neutrino(s) massif(s) et nécessitent donc l'introduction de mécanismes théoriques dépassant le cadre du Modèle Standard minimal. Le but de ce travail est d'évaluer les effets de la physique nucléaire dans les interactions entre les neutrinos et les noyaux d'oxygène des détecteurs Cerenkov à eau. Les produits de ces interactions, s'ils sont émis au-dessus du seuil Cerenkov, sont détectés et identifiés au moyen de l'anneau de lumière Cerenkov qu'ils génèrent. Les événements sont ensuite classés suivant le nombre d'anneaux engendrés. Il est donc indispensable de calculer les taux d'événements neutrino-oxygène dans chaque canal de réaction exclusif. L'interprétation des résultats expérimentaux est en général menée dans le canal quasi-élastique et celui de la résonance Delta. Au-delà de cette approximation, il existe d'autres canaux de réactions, sans pion dans l'état final notamment, qui viennent fausser l'analyse et qu'il faut évaluer convenablement. Pour atteindre ces différents objectifs nous utilisons le formalisme des réponses nucléaires. Nous adoptons une démarche semi-classique permettant d'inclure de manière économique la nature corrélée du milieu nucléaire par des méthodes de type RPA. Les résultats que nous avons obtenus montrent que l'inclusion des corrélations nucléaires modifie de manière importante les sections efficaces et les taux d'interaction absolus neutrino-oxygène dans le canal inclusif et dans les canaux exclusifs et que le rapport des taux d'interaction mu/e reste peu affecté par ces effets nucléaires. L'analyse des canaux partiels a permis de plus de démontrer que le nombre d'événements ayant un pion dans l'état final est nettement surestimé dans les simulations actuelles. En conclusion ce travail a permis de mettre en évidence l'importance de l'effet des corrélations dans l'interaction neutrino-oxygène et son impact sur l'anomalie des neutrinos atmosphériques. Il dépasse le cadre d'approximations couramment utilisé dans ce domaine et peut en outre être étendu à différents noyaux-cibles, tels que le fer, déjà utilisé dans des expériences antérieures. Ceci en fait un outil intéressant et prédictif pour les futures expériences de détection des neutrinos, basées sur des détecteurs utilisant différents types de cibles.