HAL Id: tel-00947334
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Submitted on 15 Feb 2014
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neutrino avec détection d’électrons
Florian Brunet
To cite this version:
Florian Brunet. Reconstruction et analyse des gerbes électromagnétiques dans l’expérience OPERA
et étude des oscillations neutrino avec détection d’électrons. Autre [cond-mat.other]. Université de
Grenoble, 2012. Français. �NNT : 2012GRENY108�. �tel-00947334�
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Specialty : Particle Physics
Prepared by
Florian Brunet
Thesis supervised by Amina Zghiche
Prepared at the Laboratoire d’Annecy-le-Vieux de Phyisque des Particules
Electromagnetic showers
reconstruction and analysis in the OPERA experiment and neutrino oscillation study by electron
detection.
Thesis publicly defended the 12 th December 2012, In front of the comity :
M. Lounis Abdenour
LAL - Paris XI Orsay, Examinateur
M. Marcos Dracos
IPHC - Strasbourg, Rapporteur
M. Yannis Karyotakis
LAPP - Annecy-le-Vieux, Examinateur
M. Georges Vasseur
CEA - Saclay, Rapporteur
Mme. Amina Zghiche
LAPP - Annecy-le-Vieux, Directeur de thèse
To my grandmother,
Avantd'entrer dansle vifdu sujet, je souhaiteraisremerier toutes lespersonnes
qui ont rendu possible laréalisationde e travail de thèse représenté par e manusrit.
Jevoudraistoutd'abord exprimermaprofondereonnaissane àAminaZghihe,
diretrie de ettethèse quim'a enadré pendant3ans etdemi etquiasumeguiderpas
à pas du "petit" étudiant diplmé d'un master de physique subatomique au doteur en
physique des partiules que je suis à présent. Ce hemin n'a pas été de tout repos etelle
a su antiipertoutes lesétapesimportantes an que j'y sois préparé au mieux. Meri de
ton soutienpendantes 3ansetpartiulièrementpendantlespériodes derédation etde
soutenane en mefaisant part de ta onane en laqualité de e travailplus queje n'en
avaismoi-même.
Je tiens à remerier Yannis Karyotakis de m'avoir aueilli au LAPP et assuré
la présidene de mon jury. Meri à Maros Draos et Georges Vasseur pour la leture
approfondiedemonmanusrit,lesdisussionstéléphoniquesquiontsuiviesetl'évaluation
qu'ilsontfaitdemontravailentantquerapporteurs. MeriàLounisAbdenourdel'intérêt
qu'il a porté à e travail, de sa présene à masoutenane et des questions intéressantes
qu'il aposées.
De plus, je voudrais aussi remerier le groupe Neutrinos du LAPP pour leur
investissement dans mon travail de thèse par la tenue deux fois par semaine de réunion
ayant entre autres objetifs elui de la présentation de l'avanement de mon travail.
Ces réunions ont toujours été pour moi une soure de remise en question ainsi que de
nouvelles pistes à poursuivre. Plus partiulièrement, je tiens à remerier Dominique
Duhesneau pour sa grande onnaissane de la physique du neutrino ainsi que pour les
leturesassiduesdemonmanusritpendantlarédation. UngrandmerivaaussiàHenri
Pessardl'historiendes neutrinosainsi qu'àJean Favierpourson sens aïgu de laphysique
expérimentale etplus spéiquement des eaités des émulsions.
Enn, un grand meri à Pablo Del Amo Sanhez, ollègue de bureau et surtout
aguerri aux tehniques d'analyse en physique des partiules qui m'a permis d'apprendre
etde luionfronter toutesortede problèmesquiontpu seposer àmoipendantmathèse.
Un immense meri à Frédéri Juget pour m'avoir aueilli à Berne lors de mes
débuts dans OPERAet de m'avoirinitié à laphysique des gerbes életromagnétiques.
Ih möhte vielen Dank auh an Frank W. Meisel sagen für haben mih wie
funktioniertdenAlgorithmusaufelektromagnetishBlumengebindeWiederaufbaugelernt
und für haben sein Wissen aufdas Subjekt mitmeinen Resultategegenübergestellt.
IwishtothankAkitakaArigatowelomemeinhislaboratoryinBernforsessions
of hardwork forthe analysisof eletronsin OPERAandTomokoas welltoteahmethe
siene of emulsion sanning.
Je souhaiterais remerier Isabelle De Bonis pour l'enadrement de mes
enseignements à l'Université de Savoie et d'avoir été une tutrie pédagogique qui m'ait
initié à l'enseignement supérieur. J'aimerais remerier également Didier Verkindt pour
avoir supervisé mon projet de diusionsientique en lyée.
MeritoutpartiulièrementàSandrineFerraridel'EoleDotoraledephysiqueà
Grenoble quiatellementbiengéré leparours administratifde nosdotorats,ave bonne
humeurde surroît.
J'aimerais saluer tous les membres du LAPP et les remerier pour leur
aueil. Meri notamment à Françoise Sublet pour ses petites visites de ourtoisie et
d'enouragementrégulièresdans monbureauainsi quepour saprésene àmasoutenane
et à mon pot de thèse. Meri aussi à Niole Berger pour sa bonne humeur, Myriam
Froger et Chantal Vallée pour leur aide perpétuelle ave l'aspet administratif et leur
sympathie,BrigittePutanier(oumadameMissions)poursabonnehumeur,CéileJaob
et Jean-Mar Dubois pour leur sympathie et Laurent Brunetti, entre badminton et afé
toujoursunepetitedisussionpoursedétendre. Meriennàtouseuxquej'auraioublié
de mentionner iiet ave lesquels j'ai passé de bons moments aulaboratoire.
Pour ontinuer, j'aimeraisremerier mes ollèguesthésards qui ontanimésla vie
du laboratoire de même que la vie annéienne : Guillaume pour les sortie noturnes,
Maud ommepartenaire de badminton, Ludovia ommepartenaire de badminton et de
restaurant, Dimitra pour sa siene des alools, Mihael et Loï pour les soirées jeux
de soiété, Jonathan pour ses blagues jamais drles, Vinent pour sa bonne humeur
même sijen'en aipas protélongtemps,TimuretennCéline, ladotorantede sienes
humaines,poursaonstanteenviede disuter de toutetde n'importe quoi. Unemention
spéiale pour Timothée, sans qui, l'aventure de lathèse n'auraitpas été lamême: afés,
badminton, restaurants, sandwihes, ski, sorties, rédation, soutenane, déménagement,
disussions sans n et tous es bons momentspassés ensemble.
Pour nir, je souhaiterais remerier tous eux qui m'ont soutenu pendant es
3 années : mes parents qui m'ont toujours aidé peu importe e que je leur demandais,
Luiequilorsde espériplesàAnney oulorsdesmiensàParisatoujoursétéprêteàme
hanger lesidées, mes ollègues du Master de Physique Subatomique de Lyon roisés ii
et là Benoît, Niolas, Elisabeth, Laura qui s'est lanée dans la même aventure que moi,
et toutes les personnes que j'ai renontrées pendant 3 ans ave lesquelles j'ai passé un
agréable moment lorsun dîner, d'une onférene ou d'une éole d'été. Many thanks also
to the CS sanning shifters friends fromMosow, Dubna, Ankara and Hambourg.
Pour onlure, meri à elle qui est derrière haque mot de e manusrit qu'elle
a luet lu enoreet quim'a soutenu onstammentavant etpendant es 3 annéeset pour
Introdution 1
1 Neutrino Physis 5
1.1 Neutrino Osillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 Mixing and osillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.2 Osillationpriniple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.3 Two avours osillationin vauum . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.4 Three neutrino avours osillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.5 Osillations in matter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Other Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.1 Heliity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.2 Neutrino mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 ExperimentalStatus Of NeutrinoOsillation . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 The OPERA Experiment 23 2.1 The CNGS Beamline Desription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 The ExperimentalSetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1 The OPERA lms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.2 The Emulsion Cloud Chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.3 The Changeable Sheet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.4 The Target Traker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.5 The Brik Manipulating System and brik handling . . . . . . . . . 29
2.2.6 The Spetrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3 The Sanning System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.1 The European Sanning System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.2 The CS sanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.3 The ECC sanning inEurope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.4 The Sanning eieny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4 The Analysis Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.5 Physis Performane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5.1 Neutrino interations and neutrino ross setions . . . . . . . . . . 39
2.5.2 CNGS performane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.3 Physis performane in
τ
detetion inthe OPERA experiment . . . 482.6
ν µ → ν e
Osillation Channel : detetion of eletrons and photons in the OPERAexperiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 Analysis Framework And Eieny Assessment 53 3.1 AnalysisFramework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.1 MC event generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.1.2 Partile propagation inthe detetor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.1.3 Analysis ofthe Eletroni Detetors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.1.4 Analysis ofthe nulear emulsions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.1.5 Monte Carlo simulationand testbeam data . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2 Event LoationEieny Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.1 Eieny assessment onMonte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.2 Comparison of the Monte Carlo simulation with data and systemati unertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.3 StatistialMethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4 Eletromagneti Shower Reonstrution In Nulear Emulsions 73 4.1 Phenomenology OfEletromagneti Shower . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2 Eletromagneti ShowerReonstrution Algorithm . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.1 Priniple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.2 Shower initiationwith reonstruted traks . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.3 Shower reonstrution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3 Eletron Identiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.1 Prinipleof the algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.3.2 Performane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3.3 Identiationeieny results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4 Energy Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.4.1 Prinipleof the algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.4.2 Performane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.4.4 Energy estimation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.5 Improvements of the ShowerReonstrution Algorithm . . . . . . . . . . . 104
4.5.1 Eletromagneti shower reonstrution within two OPERAbriks . 104 5 Analysis Of Eletron Channels : Eletron Neutrino And
τ → e
109 5.1 OutlineOf The Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1095.1.1 Event rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.1.2 Estimationof minor bakgrounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.1.3 Kinematial variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.2 Osillated
ν e
Rate Calulation And Measurement . . . . . . . . . . . . . . 1165.2.1 Input variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.2.2 Disriminationof the
ν e
signal with respet to bakground hannels 119 5.2.3 Expeted event rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1215.3 OPERAData Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.3.1 Data seletion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.3.2 Eletron hannelssearh proedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.3.3 Seleted eletron events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.4 OPERAPerformane On
ν µ → ν e
Osillation. . . . . . . . . . . . . . . . . 1255.4.1 Comparison of MonteCarlo (MC) simulationswith data . . . . . . 125
5.5
τ → e
Searh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1275.5.1 The DSP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.5.2 Disrimination of the
τ → e
signal with respet to bakground hannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1285.5.3 Expeted event rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Conlusion 131 Appendix A Neutrinos And The Standard Model 141 A.1 The Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Appendix B Neutrino Properties 145 B.1 The Disovery Of Neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
B.2 Parity Non-Conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
B.3 Measurement Of The Neutrino Heliity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
B.4 The Seond GenerationOf Neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
B.6 Number Of NeutrinoGenerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
B.7 The
ν τ
Disovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149Appendix C Addendum To Neutrino Properties 151 C.1 A Left-Handed Neutrino? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
C.2 See-saw Mehanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
C.3
β
-Deay Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153C.4 Neutrinoless Double
β
-Deay Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154Appendix D Phenomenology Of Eletromagneti Showers 157 D.1 Passage Of Charged PartilesThrough Matter . . . . . . . . . . . . . . . . 157
D.2 Multiple CoulombSattering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Appendix E Statistial Methods 159 E.1 Linear Method: The FisherDisriminant . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
E.2 Non-LinearMethod : The Artiial Neural Network . . . . . . . . . . . . . 160
Appendix F Event Loation Eieny Assessment 163
