Flash-ADCs test, optimization of the detector design and development of a new concept of spatial reconstruction in the Double Chooz neutrino experiment for the measurement of the θ13 mixing angle.

Test des Flash-ADCs, optimisation de la conception du détecteur et développement d'un nouveau concept de reconstruction spatiale dans l'expérience de neutrino Double Chooz pour la mesure de l'angle de mélange θ13.

Tarek Akiri (1)

1 APC - Neutrinos

Double Chooz (DC) is a reactor neutrino oscillation experiment whose purpose is the measurement of the last unknown mixing angle θ13 . It inherits from the past CHOOZ experiment which was limited by the statistical and systematic errors at the same extent of about 2.8%. To lower the statistical error, the DC detector target mass has been increased and a longer exposure is foreseen while the lowering of the systematic error is ensured by the use of two identical detectors. One will be located in the vicinity of the reactor cores to monitor the flux and spectrum of the anti-νe emitted whereas the other one will be located where the effect of the oscillation is expected to be maximal. They are respectively so-called 'near' and 'far' detectors. The expected errors are 0.5% (stat.) and 0.6% (syst.) for a measurement down to sin2 2θ13 = 0.05 (θ13 = 6.5◦ ) at three standard deviations after three years of data taking. The far detector is expected for November 2010 while the near detector will be operational in mid-2012. This thesis presents first a hardware work consisting in testing the Flash-ADCs that are the core of the main acquisition system of the experiment. Subsequently, it presents analyses performed on Monte Carlo simulations towards the optimization of the detector design. This work was composed of analyses to choose some detector components with the appropriate natural radioactivity contamination, analyses for the best achievable energy resolution and the most stable and robust way of triggering. The work on the optimization of the detector together with the acquired knowledge on the Flash-ADCs led us to envisage the possibility of a new spatial reconstruction based on the time of flight. All these contributions to the experiment are described in details throughout this manuscript.

Double Chooz (DC) est une expérience d'oscillation de neutrinos auprès de réacteurs, dont la finalité est la mesure du dernier angle de mélange encore inconnu θ13 . Elle hérite de l'expérience passée CHOOZ qui était limitée par des erreurs statistiques et systématiques à un niveau similaire d'environ 2.8%. Afin de diminuer l'erreur statistique, la masse de la cible du détecteur DC a été augmentée tandis que la réduction de l'erreur systématique est assurée par l'utilisation de deux détecteurs identiques. Un détecteur sera situé dans le voisinage des coeurs des réacteurs dans le but de contrôler le flux et le spectre des anti-νe émis alors que l'autre sera placé à l'endroit où l'effet d'oscillation maximal est attendu. Le premier est communément dénommé 'détecteur proche' par opposition au second dénommé 'd ́etecteur lointain'. Les erreurs attendues sont 0.5% (stat.) et 0.6% (syst.) pour une ultime mesure sin2 2θ13 = 0.05 (θ13 = 6.5◦ ) à trois écart-type après trois années de prise de données. Le démarrage du détecteur lointain est attendu pour novembre 2010 tandis que le détecteur proche sera opérationnel pour la mi-2012. Cette thèse présente tout d'abord une contribution matérielle à l'expérience avec le test des Flash-ADCs qui constituent le coeur du système d'acquisition. Ensuite, elle présente des analyses effectuées sur des simulations Monte Carlo afin d'optimiser la conception du détecteur. Ce travail était composé d'analyses dans le but de choisir des composantes du détecteur avec la contamination radioactives qui convient, des analyses dans le but d'obtenir la meilleure résolution en énergie possible et une manière de déclencher la sauvegarde des données par le système d'acquisition la plus stable et la plus robuste possible. Les travaux sur l'optimisation du détecteur et les connaissances acquises sur les Flash-ADCs nous ont amené à envisager une nouvelle reconstruction spatiale basée sur le temps de vol des photons. Toutes ces contributions à l'expérience sont présentées en détails à travers ce manuscrit.

Mots clés: Neutrinos; θ13; Double Chooz; Flash-ADCs; Reconstruction spatiale; Spatial reconstruction

Domaines: Physique des Hautes Energies - Expérience [hep-ex]

Tarek Akiri. Test des Flash-ADCs, optimisation de la conception du détecteur et développement d'un nouveau concept de reconstruction spatiale dans l'expérience de neutrino Double Chooz pour la mesure de l'angle de mélange θ13.. Physique des Hautes Energies - Expérience [hep-ex]. Université Paris-Diderot - Paris VII, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00580175⟩