京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第18672号 / 理博第4021号 / 新制||理||1580(附属図書館) / 31605 / 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 谷森 達 / 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19500号 / 理博第4160号 / 新制||理||1597(附属図書館) / 32536 / 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, 教授 谷森 達, 准教授 市川 温子 / 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19501号 / 理博第4161号 / 新制||理||1598(附属図書館) / 32537 / 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, 教授 谷森 達, 准教授 市川 温子 / 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21441号 / 理博第4434号 / 新制||理||1637(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, 教授 鶴 剛, 准教授 市川 温子 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

La masse non-nulle des neutrinos rend nécessaire l'introduction de nouvelle physique pour expliquer celle-ci. Par exemple, l'ajout de neutrinos lourds avec une masse de l'ordre du GeV permettrait d'expliquer à la fois la masse des neutrinos et l'asymétrie matière-antimatière dans l'Univers, comme cela est proposé dans le modèle nuMSM.Un domaine de masse particulièrement intéressant pour ces nouvelles particules est celui entre 140 et 493 MeV/c^2, qui est accessible avec les expériences actuelles, en particulier avec le détecteur proche ND280 de l'expérience T2K, expérience d'oscillation des neutrinos située au Japon.L'analyse vise à isoler un échantillon de désintégrations de neutrinos lourds dans ND280, après leur production dans la désintégration de kaons chargés dans le faisceau de T2K. Le bruit de fond provenant d'interactions de neutrinos a été réduit à quelques événements dans l'ensemble des données de T2K (2010-2017), ce qui permet de contraindre l'espace des paramètres des neutrinos lourds de manière compétitive par rapport aux expériences dédiées comme PS191.Une des étapes importantes de l'analyse consiste à valider les algorithmes de reconstruction et les simulations du bruit de fond attendu, ce qui a nécessité d'étudier les interactions de neutrinos actifs dans les murs des TPCs; Cet échantillon a également pu être utilisé pour des études de physique.Un dernier travail effectué durant cette thèse concerne la mise à niveau du détecteur ND280, prévue d'ici 2021, dans le but d'augmenter la précision des mesures de section efficace d'interaction des neutrinos afin d'améliorer les analyses des oscillations. / Non-zero neutrino mass requires the introduction of new physic beyond the Standard Model. For instance, the nuMSM (Neutrino Minimal Standard Model) predicts the existence of new heavy neutrinos, with masses at GeV-scale, that would explain both neutrino masses and baryon asymmetry in the Universe.A particularly interesting mass domain is between 140 and 493 MeV/c^2, which is accessible to current experiments, in particular with the near detector ND280 of the T2K experiment, which is a long baseline neutrino oscillation experiment located in Japan.The analysis aims at the selection of a sample containing heavy neutrino decays, after they have been produced in kaon decays along the standard T2K neutrino beam. Background coming from standard neutrino interactions has been reduced to few events in the current dataset (2010-2017), which allow to constrain heavy neutrino parameter space quite well with respect to dedicated experiments such as PS191.An important step in the analysis consists in the validation of the reconstruction algorithms and of the expected background. It has been done with the study of active neutrino interactions in the walls of the TPCs. This sample is also interesting per se for physics.A last topic in this thesis concerns the upgrade of the near detector, that is scheduled for 2021. The goal is to improve neutrino cross-section measurements in order to get more precise determination of oscillation parameters.

Le Modèle Standard de la physique des particules décrit les interactions des particules sub-atomiques à travers les interactions fortes, faibles et électromagnétiques.Toutefois, il est clair que cette théorie ne constitue pas une description complète de la Nature. Mais le fait expérimental que les neutrinos changent de saveur au cours de leur propagation(oscillation des neutrinos) implique qu'ils ont une masse non nulle. Le travail de cette thèse se concentre sur l'expérience d'oscillation T2K : une expérience à longue ligne de base installée au Japon. % qui est détaillés dans le Chapitre 2. Pour la première fois T2K a pu observer l'apparition de neutrinos de saveur électronique dans le faisceau principalement composé de neutrinos muoniques etobtenir les premières contraintes sur la violation de la symétrie Charge-Parité. Il permet également de mesurer précisément les paramètres d'oscillations θ₁₃ , θ₂ ₃ et Δm²₂ ₃ .Cela nécessite une excellente compréhension du détecteur et des modèles d'interactions des neutrinos. Cette thèse se concentre sur ces deux objectifs : réduire les systématiques liées audétecteur et approfondir nos connaissances sur l'interaction des neutrinos avec la matière.Le groupe CEA, dans lequel je suis impliqué, est responsable de la maintenance et de l'opération des Chambres à Projections Temporelles (TPC) du détecteur proche (ND280).Elles permettent l'identification des particules chargées produites par l'interaction des neutrinos dans le detecteur et la mesure de leur impulsion.Une partie de mon travail a consisté en l'étude des TPCs et en particulier de l'alignement des modules MicroMegas installés sur les plans de lecture. En effet tout défaut d'alignement entre différents modules peut causer un biais sur la mesure del'impulsion des particules traversant la TPC. Les neutrinos sont étudiés grâce à l'observation de l'état final de leur interaction avec la matière. Les modèles d'interactions doivent alors être parfaitement bien compris,car les expériences d'oscillation présentes et futures approchent d'une phase où notre connnaissance des interactionsdes neutrinos devient un facteur limitant pour la détermination des paramètres d'oscillations. L'interaction quasi élastique par courant chargé (CCQE) est le processus dominant pour T2K. Ce manuscrit décrit la mesure durapport des sections efficaces d'interaction des neutrinos sur les noyaux de Carbone et d'Oxygène. Cette mesure contribue à la réduction des incertitudes pour l'analyse d'oscillation, liéesà l'utilisation d'une différente cible pour le détecteur proche et le détecteur lointain. / The Standard Model of particle physics describes the interactions of subatomic particles through the strong, weak and electromagneticinteractions. However, it is known that this theory is not a complete description of the nature. Indeed the observation that neutrinos can change their flavor alongtheir propagation path (neutrino oscillation) proves that they actually have a mass. The work of this thesis has been performed in the T2K oscillation experiment: a long baseline experiment located in Japan. % detailed in Chapter ref{sec_t2k_res}.Using the data collected so far, T2K has been able to observe for the first time the $nu_{mu} rightarrow nu_e$ appearance and to give first results on the Charge-Paritysimmetry in neutrino oscillation. It provides also precise measurements of the oscillation parameters θ₁₃ , θ₂ ₃, Δm²₂ ₃.The precise measurement of oscillation parameters requires a good understanding of the detector and of the neutrino interaction model. This thesis is thus focused on boththese aspects: reduce the detector uncertainties and improve our knowledge of neutrino interactions with matter.The CEA Saclay group where I am involved, is in charge of the maintenance and operation of the Time Projection Chambers (TPCs) of the T2K near detector (ND280)which are used to identify and measure the kinematics of the charged particles produced in neutrino interactions.Part of my work was focused on the study of the TPC and in particular on the alignment of the MicroMegas modules instrumenting their readout planes.Indeed, misalignments between modules may cause a bias on the momentum measurement of the particles crossing the TPC.Neutrinos are studied through the observation of the final state of their interactions with matter. Therefore, the interactionmodels need to be extremely well understood to infer the neutrino properties correctly.Indeed current and next future oscillation experiments are approaching the phase of precise measurements of the mixing parameters becominglimited by our knowledge of neutrino interactions.The charged current quasi-elastic (CCQE) interaction is the most relevant process at T2K.This manuscript describes the measurement of CCQE cross-section ratio between oxygen and carbon nuclei. It can contribute to reduce the uncertainties on the oscillation analysis arisingfrom the different target between the near and far detector.

L’expérience Tokai-to-Kamioka (T2K), située au Japon, étudie les oscillations des neutrinos et anti-neutrinos muoniques. Elle se donne pour objectif de mesurer les paramètres de la matrice de mélange, en particulier l’angle de mélange θ13 et la phase de violation de la symétrie CP. L’incertitude principale sur ces mesures provient de la méconnaissance des interactions des neutrinos avec les noyaux des divers matériaux composant les détecteurs. Afin de réduire ces erreurs systématiques, le détecteur WAGASCI, composé d’un réseau de barres de scintillateurs dans une cuve d’eau, a été construit et installé en 2016 sur le site de J-PARC à Tokai.Nous présentons dans cette thèse le phénomène d’oscillation des neutrinos et les effets nucléaires qui permettent de décrire les interactions entre neutrinos et noyaux. Nous illustrons également la construction du premier module WAGASCI – appelé le WaterModule – effectuée à l’automne 2015 ainsi que les études d’étalonnage de la réponse en énergie du détecteur.Les données collectées avec le WaterModule sont ensuite utilisées pour mesurer la section efficace des interactions par courant chargé des neutrinos muoniques produisant un pion dans l’état final (canal CC1π). Nous présentons ainsi les étapes menant à cette mesure : l’identification des particules, la sélection d’un échantillon d’évènements candidats puis l’étude des incertitudes statistiques et systématiques. Pour extraire la section efficace en fonction de l’angle et de l’impulsion du muon, nous utilisons une méthode statistique (unfolding) itérative pour laquelle un critère de convergence doit être établi ; nous présentons cette méthode ainsi qu’un moyen de construire un critère de convergence dicté par les données.Cette mesure, comme l’ensemble des mesures effectuées avec le détecteur WAGASCI, contribuera à réduire de manière significative les incertitudes systématiques de l’expérience T2K, ouvrant la voie à la mesure de la phase de violation de la symétrie CP. / The Tokai-to-Kamioka experiment (T2K), located in Japan, studies oscillations of muon neutrinos and antineutrinos. It aims to measure neutrino mixing parameters, such as the mixing angle θ13 and the CP-symmetry violating phase. The principal uncertainty on these measurements relates to the limited knowledge on neutrino-nucleus interactions on various target materials in the detectors. In order to reduce these systematic uncertainties, the WAGASCI detector – a lattice of scintillator bars in a water tank – has been built and installed in 2016 at J-PARC (Tokai, Japan).In this thesis we introduce neutrino oscillations alongside the nuclear effects required to describe how neutrinos interact with nuclei. We also show how the first WAGASCI module, the so-called WaterModule, was built in autumn 2015 in Tokai. The charge calibration of the WaterModule is also presented.The first WaterModule data are used to measure the muon neutrino charged-current cross section with one charged pion in the final state (CC1π channel). We detail the steps leading to this measurement: the particle identification; the selection of CC1π-candidate events; and the study of statistical and systematic uncertainties. To extract the double differential cross section with respect to muon momentum and angle, we use an iterative unfolding approach that requires a convergence criterion. We present this method and a way to build a data-driven convergence criterion.This measurement, as well as all coming measurements from the full WAGASCI detector, will contribute to significantly reduce the systematic errors for the T2K experiment. We will thus take a step further towards the measurement of the CP-symmetry violating phase.

L'expérience T2K, construite au Japon, est une expérience d'oscillations de neutrinos à base longue. Dans cette expérience, les paramètres décrivant ce phénomène quantique, et plus particulièrement l'angle de mélange theta13, sont mesurés en utilisant un faisceau de neutrinos muoniques produit par un accélérateur de particules. Dans cette thèse, des résultats obtenus à partir des données prises pendant la première année de fonctionnement de l'expérience sont présentés. Après avoir présenté la théorie de l'oscillation quantique des neutrinos, et l'expérience en elle-même, nous nous concentrons sur le détecteur proche sur axe de T2K, INGRID. Nous présentons les études de calibration de ce détecteur, qui ont permis de montrer qu'il fonctionnait correctement, et de façon stable dans le temps. Nous présentons ensuite les mesures réalisées sur le faisceau de neutrinos, pour déterminer sa direction et sa forme dans le plan transverse. Le second objet de cette thèse est un nouveau détecteur, le Module Proton, qui fut la première modification ajoutée au détecteur INGRID. Ce nouveau module a vocation à étudier plus précisément les interactions quasi élastiques se produisant sur l'axe du faisceau. Nous présentons les motivations physiques ainsi que les études de conception qui ont mené à sa construction. Dans la dernière partie de cette thèse, nous présentons les premiers résultats obtenus à partir de données prises par ce module, qui donnent une idée des possibilités offertes par ce nouveau détecteur pour étudier le faisceau de neutrinos de l'expérience T2K.

<p>We describe the measurement of muon neutrino disappearance due to</p><p>neutrino oscillation using the Tokai-2-Kamiokande (T2K) experiment's Run 1-4 (6.57&times;10<super>20</super> POT)</p><p>data set. We analyze the data using the conventional</p><p>Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) mixing</p><p>matrix for the three Standard Model neutrinos. The output of the</p><p>analysis is a measurement of the parameters sin<super>2</super>&theta;₂₃, &Delta;m<super>2</super>₃₂ for the normal hierarchy and sin<super>2</super>&theta;₂₃, &Delta;m<super>2</super>₁₃ for</p><p>the inverted hierarchy. The best-fit oscillation</p><p>parameters for the normal hierarchy are found to be</p><p>(sin<super>2</super>&theta;₂₃, &Delta;m<super>2</super>₃₂) = ( 0.514, 2.51&times;10<super>-3</super> eV<super>2</super>/c<super>4</super>}). The 90% 1D confidence interval -- determined for both parameters</p><p>using the Feldman-Cousins procedure -- is for the normal hierarchy</p><p>0.428 < sin<super>2</super>&theta;₂₃ < 0.598 and</p><p>2.34&times;10<super>-3</super> eV<super>2</super>/c<super>4</super> < &Delta;m<super>2</super>₃₂ < 2.68\times10^{-3} eV<super>2</super>/c<super>4</super>. </p><p>For the inverted hierarchy, the best-fit oscillation parameters are</p><p>(sin<super>2</super>&theta;₂₃, &Delta;m<super>2</super>₁₃) = (0.511, 2.48&times;10<super>-3</super> eV<super>2</super>/c<super>4</super>. The 90\% 1D Feldman-Cousins confidence intervals for the inverted hierarchy are 2.31&times;10<super>-3</super> eV<super>2</super>/c<super>4</super> < \Delta m^2_{13} < 2.64&times;10<super>-3</super> eV<super>2</super>/c<super>4</super>.</p> / Dissertation

Initial results are presented for two analyses using data from the recently completed laser calibration system of the time projection chambers for the Tokai-to- Kamioka long baseline neutrino oscillation experiment. Data taken with the first two production time projection chambers, while tested at TRIUMF, has been used to investigate the signal arrival time and subsequently the ionization drift speed and the relative gain of the micromegas and electronics systems. It has been found that an analytic Gaussian t produces the best overall results for establishing an arrival time, having both the lowest standard deviation, of 11 ns, and good amplitude dependence while remaining fast. Using the analytic fit technique the drift speeds of ionization has been found to be in agreement with the expected values at the 2% level. The largest of the contributing errors were found to be due to systematics involved in the calculation of the ionization production time and will be reduced in future. Relative gain analysis results have shown that the gain can be calculated based on a simple model relating the mean signal size of data channels to the variance. Further gain results have shown that an offset found in the laser data can be corrected for by sampling signal amplitudes from channels that do not detect ionization or can remain uncorrected if the fitting for the relative gain includes a correction parameter. Preliminary results of the gain's dependence on the gas temperature and pressure have shown a positive nonzero slope. However, systematic errors were found be large relative to the temperature and pressure ranges. This dependence and its use as a correction for such changes will need to be investigated further at the experiment site in Japan.