L’expérience Double Chooz étudie les anti-neutrinos électroniques provenant de réacteurs nucléaires pour mesurer le paramètre de mélange θ13 dans le phénomène d’oscillation des neutrinos. Deux détecteurs souterrains identiques sont placés à différentes distances des réacteurs de la centrale de Chooz dans les Ardennes. Le Détecteur Lointain est entré en service en avril 2011, et le Détecteur Proche en janvier 2015. Cette thèse présente une analyse des phases simple et double détecteurs de l’expérience. Les neutrinos sont détectés par désintégration β inverse dans Double Chooz, où un positron et un neutron sont émis, créant deux signaux coïncidents. Différentes analyses ont été menées sur des échantillons dans lesquels le neutron capture sur un atome de gadolinium ou d’hydrogène. Une analyse jointe des deux captures est également présentée. Les bruits de fond proviennent de la radioactivité ambiante et des muons atmosphériques (émetteurs (β-n), neutrons rapides et muons s’arrêtant et se désintégrant dans le détecteur). Cette thèse se focalise sur le développement de techniques pour réduire le bruit de fond lié aux muons se désintégrant dans le détecteur. Avec l’aide de collègues de l’APC et du MIT, un TPC à neutrons a été installé dans les deux laboratoires souterrains à Chooz. Cette chambre à projection temporelle, appelée DCTPC, remplie d’un mélange hélium/CF4 mesure le flux, le spectre en énergie, et la direction des neutrons rapides dans les deux laboratoires avec des blindages différents (respectivement 150 et 300 mètres équivalents d’eau pour le Laboratoire Proche et Lointain) / Double Chooz is a reactor anti-neutrino experiment which measures the θ13 mixing parameter in the neutrino oscillation phenomenon thanks to two identical underground detectors located at different distances from the two reactors of the Chooz nuclear power plant in the French Ardennes. The Far Detector started data taking in April 2011 and the Near Detector began operations in January 2015. This thesis presents an analysis of both the single- and twodetector phases. Neutrinos interact in Double Chooz through inverse β decay on protons, where positron and a neutron are emitted, creating two coincident signals. Analyses were performed for each detector on independent samples using the neutron capture on Gadolinium or on Hydrogen. A combined analysis, using both neutron captures is also presented. Backgrounds to the neutrino sample originate from the ambient radioactivity and the abundance of atmospheric muons (cosmogenic (β-n) emitters, fast neutron showers, and muons stopping and decaying inside the detector). This thesis focuses on developing techniques for measuring and reducing the Stopping Muon background. With colleagues from APC and MIT, a 60 litre neutron TPC was installed in both underground laboratories at Chooz. This low pressure He/CF4-based time projection chamber, called DCTPC, measures the flux, energy spectrum and direction of fast neutrons in both locations, with different overburdens (150 and 300 meters water equivalent for the Near and Far Laboratories respectively)

Double Chooz est une expérience dédiée à la mesure de l'angle de mélange θ₁₃ caractérisant le phénomène d’oscillation des neutrinos. Elle consiste en l’installation de deux détecteurs identiques respectivement installés à 400 m et 1050 m des deux réacteurs à eau pressurisée de la centrale nucléaire de Chooz dans les Ardennes. Les réacteurs nucléaires sont en effet à l’origine d’un flux intense d’antineutrinos électroniques (de l’ordre de 10²¹ ⊽ₑ/s pour un réacteur de 1GWe)qui peut être détecté par réaction bêta inverse dans le liquide scintillant des détecteurs : ⊽ₑ + p −> e⁺ + n. Le paramètre θ₁₃ peut ensuite être déterminé en cherchant une réduction du nombre d’antineutrinos et une distorsion du flux mesuré dans le détecteur lointain par rapport au détecteur proche. La première phase de l’expérience pour laquelle uniquement le détecteur lointain prend des données a débuté en avril 2011. En l’absence du détecteur proche dont l’installation sera terminée en 2014, une prédiction du flux d’antineutrinos non oscillé attendu dans le détecteur lointain est nécessaire à la prédiction de θ₁₃ . Dans ce manuscrit, nous présentons le travail de simulation réalisé en vue de prédire les taux de fission des deux cœurs de Chooz à l’origine des antineutrinos émis par les réacteurs. Pour cela des simulations de cœur complet des réacteurs ont été développées à l’aide du code de simulation MCNP Utility for Reactor Evolution (MURE). Les résultats de ces simulations ont permis de déterminer les taux de fission et les erreurs systématiques associées durant les périodes de prise de données et d’aboutir à la première indication d’un angle θ₁₃ non-nul en novembre 2011. / The Double Chooz experiment is designed to search for a non-vanishing mixing angle θ₁₃ characterizing the ability of neutrinos to oscillate. It consists in two identical detectors located respectively at 400 m and 1050 m of the two pressurized water reactors of the Chooz nuclear plant in the French Ardennes. Indeed, nuclear reactor are huge electron antineutrino emitters (about 10²¹ ⊽ₑ/s for a 1GWe reactor). In Double Chooz, antineutrino sare detected by the inverse beta decay process in the liquid scintillator of the detectors : ⊽ₑ + p −> e⁺ + n. The θ₁₃ parameter can be investigated searching for ⊽ₑ disappearance and ⊽ₑ energy distortion in the far detector with respect to the near detector. The first phase of the experiment during which only the far detector is taking data has started in April 2011. In absence of far detector whose installation will be completed in 2014, a prediction of the non-oscillated antineutrino flux and spectrum shape expected in the far detector is mandatory to measure θ₁₃ . In this manuscript, we present the simulation work performed to predict the fission rates of both Chooz cores responsible for the reactor antineutrino flux. In this view, a complete core model has been developed with the MCNP Utility for Reactor Evolution (MURE) simulation code. The results of these simulations were used to determine the fission rates and associated systematic errors since the beginning of data taking and led to the first indication for a non-zero θ₁₃ mixing angle in November 2011.

Doctor of Philosophy / Department of Physics / Glenn Horton-Smith / Double Chooz is a reactor neutrino experiment which has shown evidence of electron anti-neutrino disappearance at 1 km distance. It has been able to exclude the no-oscillation hypothesis at 99.8% CL (2.9ς) with only one detector. From a rate plus spectral shape analysis, the value of sin²2θ₁₃ was found to be 0.109±0.030(stat) ± 0.025(syst). Correlated events mimicking an anti-neutrino event are one of the most important backgrounds for a reactor neutrino experiment like Double Chooz which measured the neutrino mixing angle θ₁₃. Cosmic muons passing through the rock surrounding the detector produce fast neutrons which give rise to correlated events through proton recoil followed by a neutron capture. Muons stopping around the chimney region subsequently decay into Michel electrons also contributing to the correlated background. Measurement of the shape and rate of this background is very important for the precise measurement of θ₁₃. Experimental techniques to estimate of the shape and rate of this background in the Double Chooz far detector are presented in this thesis.

Doctor of Philosophy / Department of Physics / Glenn Horton-Smith / In March 2012, the Double Chooz reactor neutrino experiment published its most precise result so far: sin[superscript]2 2theta13 = 0.109 +/- 0.030(stat.) +/- 0.025(syst.). The statistical significance is 99.8% away from the no-oscillation hypothesis. The systematic uncertainties from background and detection efficiency are smaller than the first publication of the Double Chooz experiment. The neutron detection efficiency, one of the biggest contributions in detection systematic uncertainties, is a primary topic of this dissertation. The neutron detection efficiency is the product of three factors: the Gd-capture fraction, the efficiency of time difference between prompt and delayed signals, and the efficiency of energy containment. [superscript]252 Cf is used to determine the three factors in this study. The neutron detection efficiency from the [superscript]252 Cf result is confirmed by the electron antineutrino data and Monte Carlo simulations. The systematic uncertainty from the neutron detection efficiency is 0.91% used in the sin[superscript]2 2theta13 analysis. The seasonal variation in detector performance and the seasonal variations of the muon intensity are described in detail as well. The detector stability is confirmed by observation of two phenomena: 1) the [electron antineutrino] rate, which is seen to be uncorrelated with the liquid scintillator temperature, and 2) the daily muon rate, which has the expected correspondence with the effective atmospheric temperature. The correlation between the muon rate and effective atmospheric temperature is further analyzed in this thesis to determine the ratio of kaon to pion in the local atmosphere. An upper limit on instability of the neutron detection efficiency is established in the final chapter. The systematic error, 0.13%, from the relative instability is the deviation of the calibration runs. This thesis concludes with the potential systematic errors of neutron detection efficiency and estimation of how these potential systematic errors affect the result of sin[superscript]2 2theta13.

L’expérience Double Chooz, située sur le site de la centrale nucléaire de Chooz dans la région des Ardennes en France, étudie la disparition des antineutrinos. Le but principal de l’expérience est de mesurer avec une grande précision l’amplitude d’oscillation sin2 2θ13 des antineutrinos émis par les deux réacteurs de la centrale de Chooz. La précision de cette mesure dépend fortement d’une connaissance précise des taux et de la forme des spectres des bruits de fond qui contaminent la sélection finale des antineutrinos en particulier dans la gamme d’énergie où l’oscillation des neutrinos est attendue. Nous avons étudié dans la présente thèse le bruit de fond d’origine cosmique dans l’expérience Double Chooz. En effet, les muons cosmiques traversant les détecteurs ou interagissant dans le voisinage immédiat sont la principale source de bruit de fond observés dans l’expérience Double Chooz. Deux types de bruits de fonds sont analysés et présentes dans cette thèse : les neutrons rapides (FN) et la double capture de neutrons (DnC). Des techniques d’identification dédiées ont été développées pour chacun de ces bruits de fond et, par conséquent, les formes spectrales et les taux associés ont été́ déterminés. Les valeurs obtenues dans le cadre de ce travail servent de paramètres d’entrée dans le fit final d’où la valeur de θ13 est extraite. La dernière mesure publiée par la collaboration Double Chooz est sin2 2θ13 = 0.119 ± 0.016. / The Double Chooz experiment is- a reactor antineutrino disappearance experiment located on the site of the Chooz nuclear power plant in the Ardennes region in France. The principal aim of the experiment is a high precision measurement of the oscillation amplitude sin2 2θ13 of the antineutrinos emitted from the two reactor cores of the Chooz power plant. The robustness and accuracy of this measurement depends strongly on a precise knowledge of the rates and spectral shapes of the backgrounds that contaminate the antineutrinos selection over the neutrino oscillation expected region. We have studied in the present thesis the muon induced background in the Double Chooz experiment. Indeed, cosmic muons crossing the detectors or interacting in the neighborhood constitute the main source of background events encountered in Double Chooz. Two distinct backgrounds analysis are presented in this thesis: fast neutrons (FN) and double capture of neutrons (DnC). Dedicated identification techniques have been developed for each of these backgrounds and, consequently, the associated spectral shapes and rates have been determined. The values obtained in this work serve as inputs in the final fit whence the θ13 value is extracted.The latest measurement released by the Double Chooz collaboration is sin2 2θ13 = 0.119 ± 0.016$.

L’expérience Double Chooz a pour but la mesure précise de l’angle de mélange θ₁₃. Son évaluation repose sur l’étude de la disparition des antineutrinos produits par les réacteurs de la centrale de Chooz, disparition due au phénomène d’oscillation des neutrinos. Deux détecteurs identiques composés de liquide scintillant permettent d’effectuer une mesure relative, diminuant ainsi les incertitudes systématiques. Le détecteur proche, qui fournit la normalisation du flux de neutrinos émis, est en cours d’installation, son achèvement est prévu pour le printemps 2014. Le détecteur lointain, sensible à l’effet de θ₁₃, est situé à un kilomètre environ et prend des données depuis 2011. Dans cette première phase de l’expérience, les données acquises par le détecteur lointain sont comparées à une prédiction du flux de neutrinos émis par les réacteurs pour estimer le paramètre θ₁₃. Au sein de cette thèse, l’expérience Double Chooz et son analyse sont présentées. Une attention particulière est portée à l’étude des bruits de fond et au rejet de signaux parasites constitués de flashs lumineux émis par les photo-multiplicateurs. Les flux de neutrons aux interfaces entre les différents volumes du détecteur affectent la définition du volume d’interaction et partant l’efficacité de détection. L’étude détaillée de ces effets de bord est présentée. Dans le cadre de l’expérience Double Chooz, des études ont été menées afin d’améliorer la prédiction des flux de neutrinos émis par les réacteurs. Ces travaux ont mis à jour un déficit des taux de neutrinos observés dans les expériences passées à courtes distances des réacteurs. Ce déficit pourrait s’expliquer par une oscillation vers une saveur stérile. Le projet Stereo a pour but d’observer la distorsion — caractéristique de l’oscillation — du spectre des neutrinos en énergie et en distance de propagation. Cette thèse s’attache à présenter le concept du détecteur, les simulations réalisées, ainsi que les études de sensibilité. Les différents bruits de fond et les blindages envisagés pour s’en prémunir sont enfin discutés. / The Double Chooz experiment aims to measure the θ₁₃ mixing angle through the disappearance—induced by the oscillation phenomenon—of anti-neutrinos produced by the Chooz nuclear reactors. In order to reduce systematic uncertainties, the experiment relies on the relative comparison of detected signals in two identical liquid scintillator detectors. The near one, giving the normalization of the emitted flux, is currently being built and will be delivered in spring 2014. The far detector, sensitive to θ₁₃, is located at about one kilometer and is taking data since 2011. In this first phase of the experiment, the far detector data are compared to a prediction of the emitted neutrino flux to estimate θ₁₃. In this thesis, the Double Chooz experiment and its analysis are presented, especially the background studies and the rejection of parasitic signals due to light emitted by photo-multipliers. Neutron fluxes between the different detector volumes impact the definition of the fiducial volume of neutrino interactions and the efficiency of detection. Detailed studies of these effects are presented. As part of the Double Chooz experiment, studies were performed to improve the prediction of neutrino flux emitted by reactors. This work revealed a deficit of observed neutrino rates in the short baseline experiments of last decades. This deficit could be explained by an oscillation to a sterile state. The Stereo project aims to observe a typical signature of oscillations: the distortion of neutrino spectra both in energy and baseline. This thesis presents the detector concept and simulations as well as sensitivity studies. Background sources and the foreseen shielding are also discussed.

Double Chooz est une expérience de type «court ligne de base», auprès des réacteurs nucléaires de Chooz, qui a été conçue pour observer les oscillations des neutrinos associées à l’angle de mélange θ13. Une partie de ma recherche était axée sur le développement du logiciel requis pour l'étalonnage de l’Inner Veto de Double Chooz et à l'analyse des données qui y sont associées. J'ai été responsable des tests de qualité effectués sur tous les photomultiplicateurs avant leur installation. J'ai fait toutes les mesures nécessaires et j'ai analysé la majorité des données. Grâce à ce travail, j'ai extrait les premières valeurs des gains et j’ai déterminé les valeurs nominales des hautes tensions nécessaires pour les photomultiplicateurs. Toutes ces données nous ont aidé dans la mise au point du détecteur. Aussi j'ai été le responsable de l'analyse de l’extraction et stabilité des gains pendant l’expérience. J'ai travaillé très activement sur l'analyse des données et en particulier sur l'évaluation des différentes sources de bruit de fond. J'ai développé plusieurs techniques pour isoler et étudier les muons cosmiques qui activent le détecteur Double Chooz. J'ai également travaillé sur l'estimation du taux de neutrons rapides. Les techniques que j'ai présentées ont été utilisées dans la première publication de Double Chooz. Finalement, j'ai étudié un bruit de fond instrumental important pour le détecteur Double Chooz. J'ai développé un nouvel ensemble d'algorithmes pour identifier et rejeter ces événements pathologiques utilisant l'orientation géométrique de la charge à l'intérieur du détecteur. / Double Chooz is a short-baseline experiment, located at the Chooz power plant, designed to observe the neutrino oscillation signal controlled by the θ13 mixing angle. Part of my scientific research, as a graduate student, was directed towards the development of the software needed for the calibration of the Double Chooz Inner Veto and the analysis of the data associated with this task. I was responsible for the quality tests performed in every photomultiplier prior to its installation. I completed all the necessary measurements and analysed the data, extracting the first set of gains and determining the nominal high voltage values needed to be applied in all photomultipliers. All this information served as valuable input to the detector configuration. I was also responsible for the Inner Veto photomultiplier gain analysis during the first months of data taking. I was also very actively involved in data analysis and the estimations of the various sources of background. I initiated a number of methods to isolate and study the cosmic muon events that activate the detector. Additionally I worked on the estimation of the fast neutron rate registered in the detector. The techniques I put forward played a key role and were used in the first Double Chooz publication. Finally, I developed a set of algorithms to identify and reject an instrumental background, relevant for the Double Chooz detector using topological information of the deposited charge.

La mesure récente de l'angle de mélange theta-13, à laquelle l'expérience Double Chooz contribue, a ouvert la voie aux futures expériences de la physique des neutrinos. Dans ce manuscrit, la caractérisation de certains bruits de l'expérience sont décrits. Les muons cosmiques qui s'arrêtent et se désintègrent dans le détecteur sont mal reconstruits, résultant en distorsion de la distribution temporelle des signaux laquelle peut être utilisée pour identifier ce type de fond. Les neutrons rapides créés par spallation par les muons cosmiques produisent de nombreux protons de recul qui peuvent entraîner un décalage dans la distribution temporelle des signaux et ainsi être identifiés. Ces distributions temporelles ont aussi été utilisées pour identifier la formation de l'état d'orthopositronium en observant et en mesurant un délai entre l'ionisation du positron et l'annihilation de celui-ci, pouvant permettre une séparation positron-électron. / The measurement of the theta-13 mixing angle, to which the Double Chooz experiment contributed, paves the way to future findings in neutrino physics. In this manuscript, we describe the characterization of some Double Chooz backgrounds. Cosmic muons that stop and decay in the detector are characterized by anisotropic emission of the scintillation light, causing the vertex to be poorly reconstructed. The resulting pulse shape distortion can be used to tag and remove such background. Fast spallation neutrons producing multiple recoil protons may produce a similar distortion in the pulse shape and can also be tagged. Pulse shapes are also used to identify the formation of ortho-positronium. The tagging of such electron-positron bound state is made possible by the induced distortion in the pulse shape due to the delay in the positron annihilation, and can be used for an electron-positron separation.

L'expérience Double Chooz étudiera les oscillations des antineutrinos électroniques produits par la centrale nucléaire de Chooz pour mesurer l'angle de mélange θ₁₃. La connaissance actuelle sur ce paramètre, apportée par CHOOZ, peut être améliorée en réduisant les erreurs statistiques et systématiques. Afin de réduire la première de ces deux incertitudes, Double Chooz observera un échantillon de données conséquent. Cette expérience utilisera deux détecteurs identiques pour s'affranchir de la plupart des incertitudes expérimentales intervenant dans les processus de production et de détection. Une attention particulière sera portée sur les bruits de fond engendrés par la radioactivité naturelle et les interactions des rayons cosmiques. <br><br> Nous présentons, dans cette thèse, la simulation que nous avons mise en place pour calculer la sensibilité sur la mesure de θ₁₃ et le potentiel de découverte de l'expérience. Nous nous sommes intéressé en particulier à quantifier les incertitudes liées aux détecteurs limitant la sensibilité sur θ₁₃. Nous avons également pris en compte certains bruits de fond tels que les événements accidentels engendrés par la radioactivité des PM, les événements corrélés produits par les neutrons de spallation ainsi qu'un bruit de fond hypothétique (celui ayant la forme du signal d'oscillation recherché). <br><br> Après trois années de prise de données, Double Chooz permettra d'observer un signal d'oscillation pour sin²(2θ₁₃)>0,05 (à 3σ) ou bien, si aucune oscillation n'est découverte, de mettre une limite de sin²(2θ₁₃)<0,03 à 90 % de confiance.

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.