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La physique de l’infiniment grand l’infiniment petit

Alice Coffani soutient sa thèse

6 décembre 2021

le jeudi 16 décembre 2021 dans l’amphithéâtre Carnot de l’École polytechnique à 14h00.


"New studies on cosmogenic induced spallation background for Supernova relic neutrino search in the Super-Kamiokande experiment "

Résumé

Les neutrinos ont joué un rôle clé en astrophysique, de la caractérisation des processus de fusion nucléaire dans le Soleil à l’observation de la supernova SN1987A et de multiples événements extragalactiques. L’expérience Super-Kamiokande a joué un rôle majeur dans ces études astrophysiques en étudiant les neutrinos de basse énergie. Elle a notamment été déterminante dans la caractérisation du spectre des neutrinos solaires 8B et présente actuellement la meilleure sensibilité au bruit de fond diffus des neutrinos des distantes supernovae.


Les recherches à basse énergie sont cependant confrontées à des défis importants en raison des bruits de fond significatifs de la spallation cosmique des muons : la réduction de cette contamination majeure est fondamentale afin d’atteindre la sensibilité pour une première observation de neutrinos reliques. Malgré les techniques de détection actuelles qui éliminent une grande partie des désintégrations de spallation avec un coût d’une perte de signal importante, le taux de fond reste dominant aux énergies cinétiques de 6 à 18 MeV. C’est la raison pour laquelle une nouvelle méthode a été développée mettant en œuvre des algorithmes de neutron tagging de pointe, ainsi qu’une caractérisation approfondie des mécanismes induisant la spallation.


Une simulation originale basée sur FLUKA, incorporant les modèles nucléaires les plus avancés, joue un rôle clé dans l’étude des processus de spallation et dans la mise au point de nouvelles méthodes de rejet. Grâce à la simulation, nous disposons désormais non seulement d’une étude approfondie des fonds de spallation, mais aussi d’un outil précieux pour optimiser les stratégies d’analyse des futures recherches à basse énergie dans les détecteurs water-Tcherenkov. À partir de fin 2020, avec le début de SK-Gd, la phase améliorée de Super-Kamiokande avec l’injection de gadolinium dans l’eau ultrapure du détecteur, une augmentation remarquable de l’efficacité de détection des neutrons est attendue pour la recherche du fond diffus de neutrinos de supernova actuellement non observé. Un effort majeur de réparation du détecteur ainsi que la mise en œuvre de nouvelles méthodes de calibration ont été déterminants pour la nouvelle phase de l’expérience. Les premiers mois de prise de données ont été couronnés de succès. C’est dans ce contexte que la nouvelle méthode de réduction du bruit de fond de spallation, soigneusement optimisée grâce à des informations issues de la simulation, prouve son réel potentiel montrant une efficacité sans précédent dans l’identification de la spallation et ouvrant la porte à de nouvelles découvertes à basse énergie pour Super-Kamiokande.

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