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Étude des données du prototype du détecteur de neutrinos DUNE

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L’expérience DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) cherchera à mettre en évidence la violation de CP dans le secteur leptonique à partir de 2026. Située aux Etats-Unis, cette expérience d’oscillation des neutrinos utilisera un faisceau intense de neutrinos muoniques créé au FERMILAB et aura son détecteur lointain placé 1300 km plus loin dans la mine de SURF dans le Dakota du sud. Ce détecteur sera basé sur la technologie de TPC à argon liquide (LArTPC) et sera constitué de 4 modules de 10kt chacun, correspondant à un volume fiduciel de 60mx12mx12m. Cette technologie permet l’étude très précise des interactions de neutrinos grâce à une résolution 3D millimétrique. Cependant, jamais d’aussi grands détecteurs n’ont été mis en oeuvre. Afin de tester la faisabilité de cette technologie à grande échelle, la collaboration DUNE est en train de construire des prototypes de LArTPC au CERN de 6mx6mx6m. Les résultats obtenus permettront l’écriture de la proposition technique (TDR) de DUNE en 2019. Il existe deux options technologiques pour les LArTPCs . La première est dite simple phase, où le volume fiduciel et la collection de charge se fait dans l’argon liquide. La seconde est dite double phase : une fine couche d’argon gazeux est alors placée juste avant la collection de charge afin d’y introduire un système d’amplification. C’est dans le développement de cette seconde technologie pour DUNE que le LAPP est impliqué au travers de la collaboration WA105.

Le prototype double phase pour DUNE (protoDUNE-DP) est actuellement en cours d’instrumentation. Depuis l’été 2018, les éléments du détecteur sont testés au froid puis installés dans le cryostat construit dans l’aile nord du CERN. Celui-ci devrait être scellé fin janvier 2019 puis purgé de ses impuretés avant d’être rempli d’argon liquide. L’observation des premiers rayons cosmiques est attendue au printemps 2019.

Dans le cadre de protoDUNE-DP, le LAPP a une implication majeure tant au niveau technique qu’au niveau de l’analyse. Une des contributions principales du groupe porte sur la compréhension du signal lumineux dans la TPC. En effet, l’argon liquide est transparent à sa propre lumière de scintillation. Ce signal, lu grâce à l’installation de photomultiplicateurs dans le détecteur, peut fournir un trigger interne pour des événements hors faisceau (ex : explosion de supernovæ), permettre de caractériser en temps les rayons cosmiques et enfin améliorer la calorimétrie obtenue via la collection de la charge.

Le stage aura lieu à un moment clé de l’expérience : du « commissioning » aux premières données du prototype. Ces données (tant lumière que charge) seront un ingrédient primordial pour l’écriture du TDR de DUNE. Le stage portera ainsi principalement sur l’analyse et la compréhension des données lumière, ainsi que sur la comparaison (et l’amélioration) de la simulation que nous avons développée au LAPP. En particulier, les processus régissant la production et la propagation de la lumière de scintillation dans une LArTPC double phase sont encore mal connus, et les données du prototype pourront amener de nouvelles contraintes sur certains paramètres (ex : longueur d’absorption, de diffusion). Le stage portera donc sur les premières études des données collectées.

Encadrant : Laura Zambelli (zambelli@lapp.in2p3.fr)

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