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La physique de l’infiniment grand l’infiniment petit

Alberto Giampaolo soutient sa thèse

6 janvier 2023

le mardi 17 janvier 2023 à 11h00 dans l’amphi Gay Lussac de l’École polytechnique


À la recherche du fond diffus de neutrinos de supernovas avec Super-Kamiokande : derniers études et perspectives pour l’ère du Gd


L’expérience Super-Kamiokande, située au Japon, est une expérience permettant l’étude des neutrinos produits par diverses sources (accélérateur, solaire, atmosphérique) et notamment provenant de sources astrophysiques, en particulier ceux émis par l’effondrement d’une étoile massive lors d’une supernova. En 1987, le prédécesseur de Super-Kamiokande a détecté, pour la seule fois dans l’histoire de l’humanité, l’émission d’une dizaine de neutrinos issus d’une supernova proche située dans le grand nuage de Magellan, un phénomène ne survenant que deux à trois fois par siècle. L’un des enjeux majeurs actuels est de détecter pour la première fois le flux de neutrinos baignant le cosmos et émis par l’ensemble des supernovas produites depuis le début de notre univers. La détection de ce flux, appelé fond diffus de neutrinos de supernovas (DSNB pour Diffuse Supernova Neutrino Background), permettrait en effet d’affiner les modèles des supernovae, ainsi que les modèles cosmologiques en fournissant des indications sur l’histoire de la formation des étoiles, la nucléosynthèse et l’évolution de l’univers.


Cette thèse constitue une analyse de recherche du DSNB dans l’expérience Super-Kamiokande, un détecteur Cherenkov à eau où le canal de détection privilégié est l’interaction beta-inverse, un anti-neutrino électronique interagissant avec un proton pour produire un positron et un neutron. Une attention particulière a été portée sur la réduction des bruits de fonds en développant des stratégies originales basées sur la détection conjointe du positron et du neutron. L’analyse des données enregistrées entre septembre 2008 et juin 2018 (phase SK-IV), a permis de déterminer une limite supérieure du flux de neutrinos du DSNB qui constitue à ce jour la meilleure limite mondiale, excluant ainsi certains modèles théoriques de flux DSNB les plus optimistes. Un deuxième volet original de cette thèse consiste à étendre l’analyse aux données les plus récentes obtenues en présence de sels de gadolinium dissous dans l’eau depuis 2020 (phase SK-Gd), renforçant le signal d’un neutron dans le détecteur. Ce travail montre que la sensibilité obtenue avec les données SK-Gd après environ trois ans de fonctionnement, soit jusqu’à la mi-2023, devrait être statistiquement équivalente à celle obtenue avec la phase SK-IV, ouvrant ainsi la perspective de la découverte du DSNB à moyen terme. Cette thèse offre également un premier aperçu des nouvelles données SK avec Gd, montrant une meilleure sensibilité au DSNB, et une augmentation de la signification de l’excès observé.

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