T2K (Tokai to Kamioka) est une expérience d’oscillation de neutrinos muoniques sur une longue ligne de base, située au Japon. Elle est conçue pour mesurer le changement de saveur des neutrinos d’un faisceau produit à l’aide d’un accélérateur au laboratoire JPARC de Tokai. Les détecteurs proche et lointain sont placés légèrement hors axe par rapport au faisceau. Depuis la découverte en 2013 de l’apparition de neutrinos électroniques, T2K a inversé la polarité des cornes magnétiques intervenant dans la production du faisceau, afin de produire un faisceau d’antineutrinos et d’augmenter la sensibilité de l’expérience à la violation de la charge-parité dans le secteur leptonique. Le faisceau produit est alors dominé par les antineutrinos muoniques avec une composante mesurable de neutrinos muoniques. L’analyse simultanée, dans les données prises avec le faisceau de neutrinos et le faisceau d’antineutrinos, des interactions par courant chargé dans le détecteur proche ND280, permet de réduire l’impact sur les analyses d’oscillation des incertitudes liées au flux de (anti)neutrinos et à leur section efficace d’interaction. Les données de ND280 permettent également de mesurer les sections efficaces d’interaction des antineutrinos d’énergie proche de 600 MeV. La bonne connaissance du processus d’interaction des (anti)neutrinos avec les noyaux atomiques est cruciale pour interpréter les résultats de l’expérience en termes d’oscillations. De nombreux modèles théoriques ont été développés pour décrire les effets nucléaires lors des interactions des (anti)neutrinos, mais une vison globale cohérente n’a pas encore émergé. En particulier, des mesures variées de section efficace d’interaction par courant chargé sans production de pion dans l’état final suggèrent la possibilité pour les neutrinos d’interagir avec des paires de nucléons corrélés, entrainant l’éjection de plus d’un nucleon hors du noyau (composante dite “multi-nucléon”). Divers modèles ont proposé des estimations différentes de ce processus et une mesure précise et sans ambiguité n’est pas encore disponible. Ce travail de thèse se concentre sur trois études. La première détaille la sélection des interactions de neutrinos muoniques par courant chargé dans le détecteur proche hors axe. Dans un premier temps l’échantillon de données était divisé en deux selon le nombre de traces chargées de l’événement, puis l’accumulation de davantage de données a permis la séparation de l’échantillon en trois lots selon le contenu en pions de l’événement. La seconde étude consiste en la mesure simultanée de la section efficace d’interaction des neutrinos et des antineutrinos muoniques par courant chargé, conduisant à un état final sans pion mesuré dans le détecteur ND280. Ces sections efficaces sont extraites en fonction de l’impulsion et de l’angle du muon issu de l’interaction, permettant ainsi d’évaluer la somme, la différence et l’asymétrie entre les sections efficaces des neutrinos et des antineutrinos. La somme permet d’isoler la composante d’interférence vecteur-axial de la section efficace, et la différence est sensible à la composante multi-nucléons. L’asymétrie permet d’estimer directement le biais éventuel sur la mesure de la phase de violation de CP dû à la modélisation des sections efficaces, dans l’analyse d’oscillation de neutrinos. La dernière partie de la thèse étudie la proposition d’utiliser la technologie dite de multi-PMT pour le detector Hyper-Kamiokande, version à plus grande échelle de Super-Kamiokande, ainsi que la possibilité d’étudier le flux de neutrinos avec un détecteur basé sur le rayonnement Cherenkov dans l’eau, et placé à environ 2 km de l’origine du faisceau de neutrinos. Un multi-PMT est une sphère de plastique contenant 26 tubes photomultiplicateurs, qui pourrait améliorer l’efficacité des futurs détecteurs basés sur le rayonnement Cherenkov dans l’eau. / T2K (Tokai to Kamioka) is a long-baseline neutrino oscillation experiment installed in Japan and designed to measure neutrino flavor oscillation using an off-axis neutrino beam produced at the J-PARC accelerator facility in Tokai. Since its discovery of electron neutrino appearance in 2013, T2K has switched its beam magnet polarities to run in antineutrino beam mode in order to enhance its sensitivity to the charge-parity violation in the leptonic sector. The beam is dominated by muon antineutrinos, but it also contains a sizable contamination from muon neutrinos. The analysis of both neutrino and antineutrino charged-current interactions in the off-axis near detector ND280, provides a significant reduction of the flux prediction and cross-section modeling systematic uncertainties in the oscillation analysis. ND280 data also gives us the opportunity to measure antineutrinos cross-sections at the energy around 600 MeV. Information on (anti)neutrino scattering is vital for the interpretation of neutrino oscillation. Many theoretical models have been developed to describe the nuclear effects in (anti)neutrino scattering, but a consistent picture has yet to emerge. In particular, various measurements of charged-current cross-section without production of pions in the final state have suggested the presence of another channel where neutrinos interact with pairs of correlated nucleons and more than one nucleon is knocked-out from the nucleus (multi-nucleon component). Various models have proposed different estimations of such process and a precise and unambiguous measurement is not yet available. This thesis work is focused on three different arguments. First the selections of CC interactions of muon neutrinos in antineutrino beam in the off-axis near detector. In a first iteration this sample has been divided into two sub-sample based on the track multiplicity, then with more statistic a separation into three sub-samples based on the pion content in each event was possible. Then on the simultaneous measurement of the double-differential muon neutrino and antineutrino charged-current cross-section without pions in the final state using the off-axis near detector. The neutrino and antineutrino cross-sections will be simultaneously extracted as a function of muon momentum and angle with a likelihood fit, including proper estimation of the correlations, allowing the evaluation of the sum, difference and asymmetry between the two cross-sections. The sum isolates the axial-vector interference term of the cross-section, and the difference enhances the sensitivity to the multinucleon component. The asymmetry is a direct estimation on any possible bias due to mismodeling of (anti)neutrino interactions on the measurement of the CP violation phase in neutrino oscillation. The last topic concerns the proposal of the multi-PMT technology as detector for Hyper-Kamiokande, the upgrade of Super-Kamiokande, and the intermediate water v Cherenkov proposed to study the neutrino flux at ~2 $km$ from the beam production point. A multi-PMT is a plastic sphere filled with 26 photomultiplier tube that could improve the efficiency of the Cherenkov detectors foreseen in the future.

In this thesis, I describe the first calibration of the T2K ND280 electromagnetic calorimeter using cosmic muons. T2K is a long baseline neutrino oscillation experiment whose main aim is to observe for the first time the νμ→νe oscillations. A complete understanding of the νμ disappearance or νμ→νx oscillations, x = μ or τ , and neutrino-nucleon interactions will complete the T2K physics programme. T2K produces an intense muon neutrino beam at the J-PARC facility on Japan's East coast. This neutrino beam is then detected twice: once 280 m from its start by ND280 - whose purpose is to characterise the beam - and then again 295 km away at the far detector SuperKamiokande on the West coast of Japan. One of the components of the ND280 detector is the electromagnetic calorimeter. A thorough understanding of the electromagnetic calorimeter is crucial. In this thesis I first describe the quality assurance of the photosensors used in the calorimeter. Then I describe the cosmic muon flux simulation, that I adapted from CORSIKA for the electromagnetic calorimeter studies, and now adopted by the whole T2K collaboration. This is followed by a description of calibration of the calorimeter using the cosmic muon flux, in particular the light yield attenuation, and finally the comparison of the results obtained with cosmic muons taken at two different locations, CERN and Tokai. Moreover, I describe the ND280 Workbook, an online guide to the ND280 software, including tutorials and information for all the ND280 collaborators, that I developed in its entirety.

T2K is a long baseline neutrino experiment which uses a beam of muon neutrinos, produced at J-PARC and detected at Super-Kamiokande, to study the neutrino oscillation parameters. The measurement of cross-sections in the T2K energies can constrain the uncertainties on the model predictions and help the oscillation analyses reach the necessary sensitivity to measure CP violation in the lepton sector. This thesis describes the measurement of the CC1 + cross-section in water using Run II-IV T2K data. The T2K near detector, ND280, is used to select a sample of CC1 + events having vertices in the water layers of the downstream ne-grained detector (FGD). The Time Projection Chambers (TPC) are used for the particle identi cation and to measure their momenta. The Electromagnetic Calorimeters (ECals) are used to reject events that produce electromagnetic showers coming from neutral pions. A Bayesian unfolding method with background subtraction and two control samples is used to extract the cross-section. The control samples constrain the background coming from interactions on carbon and deep inelastic scattering. The single di erential cross-section is presented as a function of the muon kinematics, the pion kinematics, the angle between the muon and the pion, and the reconstructed neutrino energy. A future long baseline experiment between J-PARC and Hyper-Kamiokande is presented as a natural continuation to the T2K experiment. Hyper- Kamiokande will be a next generation water Cherenkov detector with a total ( ducial) mass of 0.99 (0.56) million metric tons. A total exposure of 7.5MW 107 sec integrated beam power will lead to the measurement of CP to better than 19 degrees for all possible values of CP . CP violation in the lepton sector could be established at better than 3 (5 ) for 76% (58%) of the CP parameter space.

The Tokai-to-Kamioka (T2K) experiment is a long-baseline neutrino-oscillation experiment that searches for neutrino oscillations with measurements of an off-axis, high purity, muon neutrino beam. The neutrinos are detected 295 km from production by the Super Kamiokande detector. A near detector 280 m from the production target measures the unoscillated beam. This thesis outlines an analysis using samples in the near detector and Super Kamiokande to measure the disappearance of muon neutrinos. To manage the complexity this analysis, a Markov Chain Monte Carlo framework was used to maximize a likelihood to estimate the oscillation parameters. T2K Run 1+2+3 data (3.010 x10²⁰ POT) is used for the analysis. The estimates for the oscillation parameters are: ( sin² (2θ₂₃ ), Δ m²₃₂ ) = (0.999,2.45 x10ˉ³ [eV²]), and the 90% 1D bayesian credible intervals: 0.9340 < sin² (2θ₂₃ ) < 1.000 2.22 x10ˉ³ < Δm²₃₂ [eV²] < 2.74 x 10ˉ³ / Graduate / 0798

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第22242号 / 理博第4556号 / 新制||理||1654(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 中家 剛, 准教授 WENDELL Roger, 教授 鶴 剛 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

L’expérience T2K étudie les propriétés des neutrinos, en particulier le phénomène d’oscillation des neutrinos. Se déroulant au Japon, elle utilise un faisceau de neutrinos muoniques produit par le complexe d’accélérateur J-PARC, un détecteur proche, ND280 sur le site même de J-PARC pour caractériser le faisceau, et un détecteur lointain, Super-Kamiokande situé à 295 km pour mesurer les oscillations de neutrinos. Le détecteur proche permet également d’étudier les interactions des neutrinos et cette thèse porte sur la mesure des sections efficaces de diffusion profondément inélastique des neutrinos muoniques.Le manuscrit introduit d’abord la physique des neutrinos, puis l’expérience T2K et en particulier les chambres à projection temporelles du détecteur proche, en insistant sur la vérification de la qualité des données, dont j’avais la charge. L’analyse porte sur les données de T2K enregistrées jusqu’en 2013. La sélection d’interactions de neutrinos muoniques par courant chargé est ensuite présentée, ainsi qu’une étude préliminaire de la sélection d’interactions de neutrinos muoniques par courant chargé avec production d’un pion neutre. Un critère portant sur la multiplicité des traces permet d’enrichir le premier lot en interactions correspondant à une diffusion profondément inélastique de neutrinos. Finalement un ajustement, validé d’abord sur des données simulées, permet d’extraire les sections efficaces de diffusion profondément inélastique des neutrinos muoniques. / The T2K experiment studies the properties of neutrinos, particularly neutrino oscillations. It takes place in Japan and uses a muonic neutrino beam produced by the J-PARC accelerator complex, a near detector, ND280 on the J-PARC site in order to characterise the beam, and a far detector, Super-Kamiokande 295 km away in order to measure the neutrino oscillations. The near detector is also used to study the neutrino interactions and the goal of this thesis is the measurement of muonic neutrino deep inelastic scattering cross sections.The thesis first introduces neutrino physics, then the T2K experiment and more particularly the time projection chambers of the near detector, and its data quality checking that I was in charge of. The analysis is based on the T2K data recorded until 2013. The selection of charged current muonic neutrino interactions is then presented, as well as a preliminary study of the selection of charged current muonic neutrino interactions with the production of a neutral pion. A criterion on track multiplicity allows enriching the former sample in interactions corresponding to a neutrino deep inelastic scattering. Finally a fit, first validated on simulated data, allows the extraction of the muonic neutrino deep inelastic scattering cross sections.

T2K est une expérience de neutrinos à longue ligne de base à base d'accélérateurs au Japon. Le but principal de l'expérience T2K est la recherche d'une violation de la PC dans le secteur du lepton en mesurant l'apparence (anti)neutrino des électrons dans un faisceau muon (anti)neutrino. Le flux (anti) neutrino initial est produit par les désintégrations des hadrons qui proviennent des interactions et des ré-interactions d'un faisceau de protons de 30 GeV avec une cible en graphite de 90 cm de long. La connaissance du flux de neutrinos T2K est limitée en raison des grandes incertitudes liées à la production de hadrons. Une série de mesures de production d'hadrons a été effectuée pour résoudre ce problème, dans l'expérience NA61/SHINE au CERN. Les mesures ont été effectuées avec un faisceau de protons et deux types de cibles : une cible en graphite mince et une réplique de la cible T2K. Les travaux présentés dans cette thèse se concentrent sur les données cibles de la réplique T2K prises en 2010 et sur le développement du logiciel d'analyse et d'étalonnage. Le but de ces mesures est de contraindre complètement la production de π+, π+, π-, K+, K+, K- et p provenant de la surface cible en mesurant les rendements différentiels en hadrons dans les cellules du momentum de particules sortant (p), l'angle polaire (θ) et la position longitudinale sur la surface cible (z). Cela permettra de réduire les incertitudes du flux de neutrinos T2K d'environ 10 % à moins de 5 %. Les prédictions de Fluka2011.2c.5 Les listes de physique Monte Carlo, NuBeam et QGSP_BERT de Geant4.10.03 ont été comparées aux données et il a été constaté que Fluka2011.c2.5 donne la meilleure prévision. / T2K is an accelerator-based long-baseline neutrino experiment in Japan. The main goal of the T2K experiment is a search for CP violation in the lepton sector by measuring electron (anti) neutrino appearance in a muon (anti)neutrino beam. Initial (anti) neutrino flux is produced in decays of hadrons which originate from the interactions and the re-interactions of a 30 GeV proton beam with a 90 cm long graphite target. Knowledge of the T2K neutrino flux is limited due to large hadron production uncertainties. A series of hadron production measurements were done to solve this problem, in the NA61/SHINE experiment at CERN. Measurements were performed with a proton beam and two target types: a thin graphite target and a replica of the T2K target. Work presented in this thesis concentrates on the T2K replica target data taken in 2010 and the development of the analysis and calibration software. The aim of these measurements is to fully constrain production of π+ , π− , K+ , K− and p coming from the target surface by measuring differential hadron yields in the bins of outgoing particle momentum (p), polar angle (θ) and longitudinal position on the target surface (z). This will allow reduction of the T2K neutrino flux uncertainties from around 10% to below 5%. Predictions of Fluka2011.2c.5 Monte Carlo, NuBeam and QGSP_BERT physics lists from Geant4.10.03 have been compared to the data and it has been found that Fluka2011.c2.5 gives the best prediction.

Depuis la confirmation de l’existence du boson de Higgs et avec l’absence de signes de nouvelle physique au LHC, les oscillations des neutrinos sont parmi les seules à offrir des perspectivesd’observation et de mesure de phénomènes de nouvelle physique au delà du modèle standard.Le premier chapitre de cette thèse introduit le concept d’oscillation de saveur des neutrinospuis décrit l’état de l’art des connaissances ainsi que les perspectives expérimentales pour mesurer ou observer les pièces manquantes.Pour obtenir des résultats significatifs, ces futures expériences auront besoin de pouvoir profiter d’une meilleure compréhension des processus d’interaction des neutrinos. Le second chapitre décrit ces interactions d’un point de vu théorique.Le troisième chapitre présente l’expérience T2K ainsi que ses résultats sur les oscillationsdes neutrinos. Le quatrième décrit plus précisément le détecteur proche de T2K (ND280) etl’usage qu’on en fait dans les analyses d’oscillations.La couverture angulaire de la sélection des interactions dans le détecteur proche de T2K estlimitée par rapport à celle, complète, du détecteur lointain. Le chapitre 5 décrit deux sélections visant à améliorer cette couverture, ainsi que celle utilisée pour réaliser, dans le cadre de cette thèse, la mesure de la section efficace d’interaction des neutrinos muoniques par courant chargé sur le carbone sans production de pions dans l’état final.Le chapitre 6 décrit cette mesure, conçue pour ne pas dépendre de modèles théoriques d’interaction, et réalisée pour la première fois en fonction du nombre de protons éjectés et de leur cinématique. Les résultats sont montrés dans le chapitre 7. / Since the Higgs boson discovery and the absence of hints pointing to new physics at the LHC, neutrinos oscillations are one of the only perspectives to observe new physics phenomenon beyond the standard model. The first chapter of this thesis introduces the concept of neutrino flavour oscillation before describing the state of the art knowledges as well as the experimental perspectives of observing or measuring the missing parts.To obtain significant results, those future experiments will need a better understanding of neutrino interactions. The second chapter describes these interactions from a theoretical point of view. The third one describes the T2K experiment and its main results on neutrino oscillations. Chapter four focus on the T2K near detector (ND280) and on how it is used within neutrino oscillations analysis. The angular acceptance of the current ND280 selection is limited compared to the far detector one. Chapter 5 describes two selections developed in order to improve this angular acceptance. This chapter also describes the selection used to carry out this thesis main work : the cross-section measurement of muon neutrino charged current interactions on Carbon, with no pions in the final state and as a function of the outgoing particles multiplicity and kinematics. Chapter six describes this measurement, designed to be as model independent as possible, and made for the first time as a function of the protons multiplicity and of their kinematic. The results are shown in chapter seven.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第23001号 / 理博第4678号 / 新制||理||1671(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 中家 剛, 准教授 市川 温子, 准教授 成木 恵 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第18063号 / 理博第3941号 / 新制||理||1568(附属図書館) / 30921 / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 中家 剛, 准教授 市川 温子, 教授 鶴 剛 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM