The detection of high-energy neutrinos in the E > O(PeV) range requires newdetection techniques in order to cope with the decreasing flux. The radio detectionmethod uses Askaryan emission to detect these neutrinos. The propagation of theradio pulses has to be modeled carefully in order to estimate the properties of theneutrinos from the detected radio pulse. This report introduces a model whichwas implemented to the NuRadioMC code to simulate birefringence effects in theice of the South Pole. To do that, a new ice model was created which combinesthe density and directional dependence on the refractive index. With this icemodel and an analytical ray tracer the time delay and polarization resulting frombirefringence was simulated for different geometries. A directional dependenceon the magnitude of the time delay and the change of the polarization along thepropagation path was found. To model the mixing of the polarization states dueto this change in polarization a pulse propagation model was introduced. Timedelay calculations resulting from this model were compared to simulations andmeasurements from the ARA experiment and have shown good agreement.

CUORE est la plus grande expérience qui recherche la double désintégration bêta sans neutrino avec des bolomètres de TeO₂. La découverte de cette transition nucléaire aurait des conséquences décisives sur la scène actuelle de la physique. Les questions suivantes trouveraient une réponse : pourquoi la matière est-elle dominante dans l’Univers? Quelle est la masse du neutrino? Le neutrino est il un particule de Majorana ou de Dirac? Ce travail présente deux approches différentes pour l’amélioration de la sensibilité de CUORE en vue de sa prochaine phase : CUPID. Dans la première partie de ce travail, une étude du modèle thermique pour les bolomètres équipés avec des NTDs est présentée dans le but de mieux comprendre la réponse des détecteurs de CUORE. Les bolomètres sont des détecteurs extraordinaires utilisés pour un grand nombre d’applications en raison de leurs performances remarquables, mais leur modélisation et leur simulation sont loin d’être complètement comprises. Deux mesures ont été effectuées pour évaluer expérimentalement deux paramètres du modèle thermique : la conductance de la colle et celle entre les électrons et les phonons. Dans la deuxième partie de ce travail, la possibilité de détecter la faible lumière Cherenkov émise par le TeO₂ est étudiée à fin de rejeter des événements alpha, le fond principal de l’expérience CUORE. Le défi consiste dans la détection d’un signal de lumière de 100 eV à moyen d’un détecteur équipé avec un NTD qui a normalement un bruit de l’ordre de 100 eV. Cette question peut être résolue grâce à l’effet Neganov-Trofimov-Luke (NTL) qui a permis de baisser le seuil du détecteur de lumière et d'améliorer son rapport signal-sur-bruit. Cet effet exploite la présence d’un champ électrique pour amplifier les signaux thermiques des bolomètres. Le rejet complet du fond alpha a été prouvé avec un photo-bolomètre amélioré par l’effet NTL et couplé à un bolomètre de TeO₂ comme ceux utilisés par CUORE. Une solution convaincante pour le rejet de fond alpha a été démontrée en vue de l’expérience CUPID. / CUORE is the first tonne-scale experiment searching for the neutrinoless double beta decay with TeO₂ bolometers. The discovery of this nuclear transitionwould have decisive consequences on the present physics scene. The following questions would find an answer: why is matter dominant in the Universe? which is the neutrino mass? has the neutrino a Majorana or a Dirac nature? This work presents two different approaches for the enhancement of the CUORE sensitivity with a view to its upgrade: the CUPID experiment. In the first part, a study of the thermal model describing NTD-based bolometers is presented with the objective to achieve a better comprehension of the response of the CUORE detectors. Bolometers are amazing detectors used for a large number of applications because of their impressive high performance, but their modelisation and simulation is far to be completely understood. Two measurements have been performed for an experimental evaluation of two thermal-model parameters: the glue and the electron-phonon conductances. In the second part, the possibility to detect the tiny Cherenkov light emitted by TeO₂ to reject alpha events — the main background of the CUORE experiment — is studied. The challenge consists in the detection of a 100-eV light signal with a NTD-based light detector that usually is characterised by a baseline noise of the order of 100 eV. This issue is solved with the employment of the Neganov-Trofimov-Luke (NTL) effect to lower the energy threshold of the light detector and improve its signal-to-noise ratio. This effect exploits the presence of an electric field to amplify bolometric thermal signals. The full rejection of the alpha background has been proved with one NTL assisted photo-bolometer coupled to a CUORE-size TeO₂ bolometer. A convincing solution for the alpha background rejection has been demonstrated with a view to the CUPID experiment.

Liquid Argon Time Projection Chambers (LArTPCs) represent one of the most widely utilized neutrino detection techniques in neutrino experiments, for instance, in the Short Baseline Neutrino (SBN) program and the future large-scale LArTPC: Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). The high-end technique, facilitating excellent spatial and calorimetric reconstruction resolution, also enables testing exotic Beyond Standard Model (BSM) theories, such as baryon number violation (BNV) processes (e.g., proton-decay, neutron-antineutron oscillation). At the same time, Machine Learning (ML) techniques have demonstrated their ubiquitous use in recent decades; ML techniques have also become some of the most powerful tools in high-energy physics (HEP) analyses. Furthermore, the development of algorithms to cater to the needs of problems in HEP (i.e., triggering, reconstruction, improving sensitivity, etc.) has also become an active area of research. By developing a combined approach using Convolutional Neural Network (CNN) and Boosted Decision Tree (BDT) techniques, the sensitivity of neutron-antineutron oscillation in DUNE is evaluated for a projected exposure of 400kton⋅ years. Additionally, to meet the triggering requirement to select such rare events in DUNE, such a search is only supported with highly efficient self-triggering algorithms. An ML-based self-triggering scheme for large-scale LArTPCs, such as DUNE, is also developed with the intention of implementation on field-programmable gate arrays (FPGAs). The ML-based approach for searching for neutron-antineutron oscillation can be demonstrated and validated on the current LArTPC MicroBooNE. The analysis in MicroBooNE represents the first-ever search for neutron-antineutron oscillation in a LArTPC. DUNE's projected 90％ C.L. sensitivity to the neutron antineutron oscillation lifetime is 6.45✕10³² years, assuming 1.327✕10³⁵ neutron⋅ years, equivalent to 10 years of DUNE far detector exposure (400kton⋅ years). For MicroBooNE, assuming 372 seconds of exposure (equivalent to 3.13✕10³⁶ neutron⋅ years), the 90% C.L. lifetime sensitivity is found at 3.07✕10²⁵ yrs, after accounting for Monte-Carlo statistical uncertainty and systematic uncertainty from detector effects.

MicroBooNE is a liquid argon time projection chamber that collected neutrino data at Fermilab's Booster Neutrino Beam from 2015 to 2020. One of its primary goals is to investigate the “Low Energy Excess” of neutrino events observed by the MiniBooNE experiment, for which candidate photon-like interpretations include an underestimation of neutrino neutral current (NC) resonant Δ production with subsequent radiative decay or another anomalous source of single photon production in neutrino interactions. In particular, NC Δ radiative decay is poorly constrained background process to electron neutrino measurements and could be a sizable contribution to the “Low Energy Excess.” This thesis will present the analysis developed to search for NC Δ → N𝛾 events in MicroBooNE, consisting of a boosted decision tree based event selection with an NC neutral pion background constraint, using data from the first three years of operations corresponding to 6.9 × 10²⁰ POT.

Le projet WA105/ProtoDUνE-DP est une expérience de prototypage qui a pour objectif de tester la technologie de Chambre à Projection Temporelle à Argon Liquide Diphasique (DLArTPC) à grande échelle dans le but de l'utiliser dans la future expérience de physique des neutrinos DUνE. Prévue fin 2026 aux USA, DUνE vise à déterminer l'ordre des masses des neutrinos ainsi que la violation de CP dans le secteur leptonique. Le travail de cette thèse s'oriente dans un premier temps autour des tests et simulations effectués sur les éléments de détection et d'amplification des détecteurs de WA105. Dans un second temps, la thèse s'oriente autour de l'analyse des traces de muons cosmiques vues par un premier prototype de 4t, opéré en 2017 au CERN. La technologie DLArTPC est une variante de la technologie LArTPC permettant une amplification des électrons extraits de la phase liquide à la phase gazeuse. Les amplificateurs d'électrons (LEMs) sont des plaques de PCB de 50x50cm² épais de 1mm, percés de 400k trous de 500 microns de diamètre, recouvertes de chaque côté par une mince couche de cuivre. Une différence de potentiel de l'ordre de 3kv permet d'atteindre un gain supérieur à 10. Une partie du travail de cette thèse a consisté à simuler la dérive des électrons à travers ces LEMs afin d'étudier les efficacités de collection de charge. Une autre partie de cette thèse a consisté à mesurer les caractéristiques importantes (épaisseur, tenue en tension) des amplificateurs destinés au démonstrateur de 300t de WA105, dont la mise en route a été effectuée fin août 2019 au CERN. Le gain est une des caractéristiques principales d'une DLArTPC, et il a été étudié dans le prototype de 4t grâce à la détection de muons cosmiques. Des comparaisons sont effectuées avec les résultats d'un prototype de 3L datant de 2014, et un programme de reconstruction de trace dédié a été développé pour traiter certains événements bruités. Le travail effectué dans cette thèse a permis de mieux comprendre le fonctionnement des DLArTPCs, notamment en ce qui concerne l'aspect multiplication et dérive des électrons. Ces connaissances seront importantes lors de l'opération du démonstrateur de 300t au CERN, ainsi que lors de l'exploitation du module DLArTPC de DUνE. / The WA105/ProtoDUνE-DP project is a prototyping experiment which goal is to test the Double Phase Liquid Argon Time Projection Chamber (DLArTPC) technology at large scale, to use it in the future neutrinos physics experiment DUνE. Scheduled for the end of 2026 in the USA, DUνE aims at measuring the neutrinos mass ordering and the leptonic CP symetry violation. The first part of this thesis is dedicated to tests and simulations of the detection and amplification elements of the WA105 detectors. The second part is focused on the analysis of cosmic muon tracks seen by a first prototype of 4t, operated at CERN in 2017. The DLArTPC technology is a variation of the LArTPC technology allowing for the amplification of the electrons extracted from the liquid phase to the gas phase. The Large Electron Amplifiers (LEMs) are 50x50cm² PCB plates with a thickness of 1mm, pierced by 400k holes of 500 microns diameter, covered on each side by a thin layer of copper giving a gain superior to 10. Part of this thesis work is about the simulation of electrons drifting through those LEMs to study the charge collection efficiencies. Another part of this thesis is about the measurement of important caracteristics (thickness, voltage stability) of the LEMs that are used in the 300t demonstrator of WA105, which commissionning was done in the end of August 2019. The gain is one of the main caracteristics of a DLArTPC, and it has been studied in the 4t prototype by detecting cosmic muons. Comparisons are done with previous results from 2014 from a smaller prototype of 3L, and a dedicated reconstruction program was created to analyse noisy events. The work done in the thesis allowed for a better understanding of DALrTPCs, mainly on the multiplication and drift of electrons. This knowledge will be important during the operation of the 300t demonstrator at CERN, and during the operationg of the DLArTPC module of DUνE.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur la recherche de neutrino stérile à l'aide de désintégrations β dans les expériences SOX et TRISTAN. Le neutrino stérile est une particule hypothétique, solidement établi théoriquement, qui ne prendrait part à aucune interaction fondamentale, gravité mise à part. Étant entendu que le neutrino stérile se mélange avec les neutrinos actifs connus, l'existence de ces premiers peut être étudiée directement en laboratoire. L'expérience SOX a été conçue pour explorer l'existence d'un neutrino stérile d'une masse autour de l'électronvolt (eV). Un neutrino stérile avec une telle masse permettrait d'expliquer plusieurs anomalies observées à courte distance de sources (quelques mètres) lors de mesures d'oscillations de neutrinos de basses énergies (quelques MeV). SOX avait pour projet d'utiliser le détecteur de neutrinos solaire déjà existant Borexino, et d'observer un signal d'oscillation vers le stérile à l'intérieur même du volume actif du détecteur. La source radioactive de 5.5 PBq et positionnée à 8.5 m du centre du détecteur, émettrait des antineutrinos électroniques via la désintégration β du ¹⁴⁴Ce et du ¹⁴⁴Pr. Une des clés de l'observation de cette oscillation, est la connaissance précise de l'activité de la source. Une telle activité peut être déterminée en mesurant la chaleur dégagée par la source. C'est la raison pour laquelle l'INFN Genova et la TUM ont développé conjointement un calorimètre dédié. La chaleur dégagée par la radioactivité est alors captée par un échangeur puis transmise à un circuit d'eau étroitement contrôlé. Le calorimètre a été assemblé, optimisé puis étalonné avec succès. La perte de chaleur du circuit fut déterminée lors des mesures d'étalonnage grâce à un chauffage électrique. Des variations des conditions expérimentales et une isolation thermique sophistiquée ont permis d'opérer avec des pertes de chaleur négligeables. Il a ainsi été démontré que la puissance thermique de la source pouvait être estimée, en 5 jours seulement, avec une précision supérieure à 0,2%. Malheureusement, le programme SOX a dû être annulé. Le projet TRISTAN, quant à lui, tend à démontrer l'existence d'un neutrino stérile avec une masse de l'ordre du kilo-électronvolt (keV). Si le neutrino stérile à l'eV tente d'apporter une réponse aux différentes anomalies observées lors de mesures d'oscillation, le neutrino stérile au keV, en tant que potentiel candidat matière noire. Le projet TRISTAN cherche à mesurer l'empreinte de ce nouvel état de masse sur le spectre du tritium dans le cadre de l'expérience KATRIN. Cette dernière vise à déterminer la masse effective du neutrino (actif) en mesurant l'extrémité du spectre de tritium avec une excellente résolution et un faible taux de comptage. Une fois la mesure achevée, le détecteur de KATRIN sera modifié afin d'effectuer une mesure différentielle et intégrale de l'ensemble du spectre en tritium: c'est le projet TRISTAN. Le détecteur actuel sera remplacé par un nouveau détecteur de silicium à dérive (SDD) de 3500 pixels permettant une résolution de 3% à 6 keV et pouvant supporter un taux de comptage montant jusqu'à 10⁸ coups par seconde, activité maximum attendue. Un prototype a été testé avec succès et une première mesure de tritium a été réalisé au spectromètre de masse neutrino Troitsk afin d'étudier les erreurs systématiques et de développer des méthodes d'analyses pertinentes. Un premier ajustement cohérent du spectre tritium différentiel acquis lors de cette installation, a démontré la faisabilité du projet. TRISTAN lui-même est toujours en cours de développement mais les caractérisations du détecteur et les études de systématiques sont plus qu'encourageantes pour la poursuite du projet. La première investigation de neutrino stérile avec le détecteur de TRISTAN sur le site de KATRIN est prévue après la mesure de masse, en cours à Karlsruhe, aux alentours de 2024. / The work presented in this thesis is about the sterile neutrino search with the two experiments SOX and TRISTAN based on the β-decay. Sterile neutrinos are theoretically well motivated particles that do not participate in any fundamental interaction except for the gravitation. With the help of these particles one could elegantly explain the origin of the neutrino mass, dark matter and the matter-antimatter asymmetry in the universe. As sterile neutrinos can mix with the known active neutrinos, they could be discovered in laboratory searches. The SOX experiment was designed to search for a sterile neutrino with a mass in the eV-range. This particular mass range is motivated by several anomalous observations at short-baseline neutrino experiments that could be explained by an additional oscillation with a length in the order of meters that arises from an eV-scale sterile neutrino. For SOX it was planned to use the existing Borexino solar neutrino detector to search for an oscillation signal within the detector volume. The neutrinos are emitted from a 5.5 PBq electron-antineutrino source made of the β-decaying isotopes ¹⁴⁴Ce and ¹⁴⁴Pr, located at 8.5 m distance from the detector center. For the analysis of the signal it is crucial to know the source activity. This parameter is determined by measuring the decay heat of the source with a thermal calorimeter that was developed by TUM and INFN Genova. The decay heat is measured through the temperature increase of a well-defined water flow in a heat exchanger that surrounds the source. The calorimeter was assembled, optimized and characterized. Heat losses were determined through calibration measurements with an electrical heat source. Adjustable measurement conditions and an elaborate thermal insulation allowed an operation with negligible heat losses. It was proven that the power of a decaying source can be measured with <0.2% uncertainty in a single measurement that lasts ~5 days. Unfortunately the SOX experiment was canceled after a technological problem rendered the source production with the required activity and purity impossible. The TRISTAN project is an attempt to discover sterile neutrinos with masses in the order of keV. In contrast to eV-scale sterile neutrinos that are motivated by several anomalies observed in terrestrial experiments, the existence of sterile neutrinos with masses in the keV range could resolve cosmological and astrophysical issues, as they are dark matter candidates. The TRISTAN project is an extension of the KATRIN experiment to search for the signature of keV-scale sterile neutrinos in the tritium β-spectrum. KATRIN itself is attempting to determine the effective neutrino mass by measuring the end point of the tritium spectrum at low counting rates. The KATRIN setup will be modified after the neutrino mass measurements are finished to conduct a differential and integral measurement of the entire tritium spectrum. This project is called TRISTAN. The current detector will be replaced by a novel 3500-pixel silicon drift detector system that has an outstanding energy resolution of a few hundred eV and can handle rates up to 10⁸ counts per second as they occur when the entire spectrum is scanned. Prototype detectors were successfully tested and first tritium data was taken at the Troitsk ν-mass spectrometer to study systematic effects and develop analysis methods. A successful fit of the differential tritium spectrum proved the feasibility of this approach. TRISTAN itself is still at an early stage, but the detector development and systematic studies are well on track and delivered so far encouraging results. The sterile neutrino search is scheduled after the KATRIN neutrino mass program is finished in ~2024.

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Neutrino oscillations in matter can be studied in different regimes, depending on the energy of the incoming neutrinos and the matter density of the medium. In this thesis we investigate neutrino oscillations in dense matter at very high energy (TeV-PeV range), taking into account the absorption that the neutrinos may undergo in such dense media. This absorption phenomenon is relevant for neutrino telescope measurements of astrophysical neutrinos. We begin with a brief reminder on neutrino oscillations in vacuum and the construction of the PMNS matrix. Then, we proceed with calculations for dense matter. We then explore the accuracy of the resulting effective 2-neutrino mixing formulas. They present a good accuracy for Earth-like densities in our range of energies. We develop the calculations for oscillation probabilities in dense matter with absorption through charged-current inelastic scattering for both the two-neutrino and three-neutrino case. We find that in dense media, astrophysical neutrinos indeed undergoabsorption, which reduces signicantly the fluxes for each flavor, with a resonant absorption of electron-anti-neutrinos around E_{res}\simeq 6.3PeV. We discuss the impact of neutrino absorption in the Earth for neutrino telescopes measurements. We find that solar and lunar shadowing is not problematic for current telescopes but could be a good angular resolution indicator for new telescopes to come. / Neutrinooscillationer i materia kan studeras i olika regimer beroende på inkommande neutrinernas energi och densiteten hos det bakomliggande mediet. I detta examensarbete undersöker vi neutrinooscillationer i gränsen av tät materia och mycket hög energi (TeV-PeV-intervall), och tar hänsyn till den absorption av neutriner som då kan inträffa i sådant materia. Detta absorptionsfenomen är relevant för neutrino-teleskopmätningar av astrofysiska neutriner. Vi börjar med att kort påminna oss om neutrinooscillationer i vakuum och konstruktionen av PMNS-matrisen. Vi försätter sedan med beräkningar av neutrinooscillationer i tät materia. Vi undersöker noggrannheten i resulterande effektiva 2-neutrino-blandningsformlerna. De uppvisar en god noggrannhet i jordlika materieprofiler i vårt intervall av energier. Vi utvecklar beräkningarna av oscillationssannolikheterna i tät materia inklusive absorption genom laddad ström oelastisk spridning i båda två- och tresmaksfallen. Vi finner att astrofysiska neutriner i tät materia absorberas, vilket minskar betydligt flödena för varje smak, med en resonansabsorption av elektron-antineutrino omkring E_res\simeq 6.3PeV. Vi diskuterar sedan effekterna av neutrinoabsorption på jorden för neutrino-teleskopmätningar. Vi finner att sol- och månskuggning är inte problematisk för nuvarande teleskop och kunde vara en bra vinkelupplösningsindikator för kommande teeskop.

The detection of high-energy neutrinos in the EeV range requires new detection techniques to cope with the small expected flux. The radio detection method, utilizing Askaryan emission, can be used to detect these neutrinos in polar ice. The propagation of the radio pulses has to be modeled carefully to reconstruct the energy, direction, and flavor of the neutrino from the detected radio signals. This thesis outlines the effect of birefringence in ice, which splits up the radio pulse into two orthogonal polarization components with slightly different propagation speeds. The signatures resulting from birefringence can help to reconstruct the energy and direction of the neutrino. In this thesis, the effect of birefringence is derived from first principles where the only free parameter of the model is the dielectric tensor as a function of depth and direction. The introduced model can propagate full RF waveforms which for the first time allows for the accounting of interference due to changing polarization eigenvectors during propagation. The model is available open-source through the NuRadioMC framework. The predictions of the model are compared to in-situ calibration data from the ARA and ARIANNA experiments and the implications for neutrino detection are discussed. / Detektionen av högenergetiska neutriner inom EeV-intervallet kräver nya detektionsmetoder för att handskas med flödet av neutriner, som förväntas vara mycket lågt. Radiodetektormetoden, som nyttjar Askaryanemission, kan användas för att detektera dessa neutriner i polarisarna. Radiopulsernas propagering måste modelleras noggrant för att rekonstruera energin, riktningen och smaken av neutrinon från detektorns radiosignaler. Denna avhandling beskriver effekten av dubbelbrytning i is, vilket delar upp radiopulsen i två ortogonala polarisationskomponenter med något annorlunda propageringshastigheter. De signaturer som uppstår av dubbelbrytning kan hjälpa till att rekonstruera energin och riktningen hos neutrinon. I denna avhandling härleds effekterna av dubbelbrytning från grunden, där den enda fria parametern i modellen är den dielektriska tensorn som funktion av djup och riktning. Modellen som introduceras kan propagera fullständiga RF-vågformer, vilket för första gången möjliggör hänsynstagandet av interferensen som orsakas av förändrade polarisationsegenvektorer som uppstår under propageringen. Modellen är tillgänglig som öppen källkod via NuRadioMC-ramverket. Modellens förutsägelser jämförs med in-situ kalibreringsdata från experimenten ARA och ARIANNA, och vilka implikationer som modellen har för neutrinodetektion diskuteras.