Table des mati`eres

Reherhe d'un ux dius de neutrinos tauiques

d'origine osmique dans le déteteur IeCube

THÈSE DE DOCTORAT

présentée par

Sabrina Behet

en vuede l'obtention du grade de

Doteur en Sienes

Jury

Pr.Daniel Bertrand Promoteur Pr.Pierre Marage Président du jury

Pr. KaelHanson Co-promoteur Pr.MihelTytgat Serétairedu jury

Dr. Bruny Baret Membre du jury

Remerciements

Remeriements

Au momentoù s'ahèveette longueaventurequefut mathèse,il mesemble impor-

tant de prendre letemps de remerier touseux qui ont, de prèsou de loin,ajouté leur

petite pierreàl'édie.

Meri à mon promoteur, Daniel Bertrand qui, il y a inq ans, m'a aueillie ave

enthousiasmeau sein de l'IIHEet grâeà qui j'ai eu l'opportunitéd'eetuer e travail

de reherhe. Je leremerie pour sapréieuse aidelors de laphasede rédation.

Meri à Kael Hanson, mon o-promoteur, pour sa disponibilité, ses enouragements

et ses ingénieuses idées. Son aide fut essentielle pour mener à terme mon projet de

reherhe. C'est également grâe lui que j'ai eu la hane de partiiper au programme

dedéploiement etd'aquisitiondudéteteurIeCubeauPleSud géographique,e qui

fut uneexpérieneinoubliable.

Meri aux membres de omité d'aompagnement : Mihel Tytgat, qui avait déjà

partiipé àl'aventure dumémoire,pour sesenouragements etàPierre Maragepour ses

onseils avisés.

Meriauxmembresdel'IIHE:auxaniens ave quij'aipartagé lesjoiesdudébut de

thèse etauxnouveaux ave qui j'aipartagé le stresset les doutes de lan dethèse. Un

remeriementtoutpartiulieràmesollèguesdebureauqui,enplusdem'avoirsupportée

du matin au soir, m'ont de nombreusesfois aidée etenouragée : Vinent, Aio, Jan et

Mathieu. Meri à Mathieu pour son aide dans plusieurs domaines : les expliations en

statistiques;les inestimables orretionsapportéesà mon manusritet lesbonnesidées

qu'il parvient toujours àtrouverpour solutionner lesproblèmes désespérés.

Meri aux membres de l'IIHE de façon générale pour les disussions passionnantes,

aussibien dephysique que de sujetsles plusimprobables, autour d'unafé, d'une tarte

ou au détour d'un ouloir. J'ai appréié travailler dans un servie où l'ambiane est

haleureuseetles relations humaines enrihissantes.

Meri aux IeCuber's pour leur aide élairée.La ollaboration IeCube regorge de

genstalentueuxetjeleursouhaiteunedéouvertephysiquedanslesannéesàvenir.Meri

Meri àmesparentspour toutequ'ilsm'ontappris,m'apprennentenore,leur ras-

surante préseneetleursoutient infaillible, jeleur dédiee travail.

Table des mati`eres

Table des matières

Remeriements 3

Introdution i

1 Prodution de neutrinos 1

1.1 Signal :neutrinostauiques d'origine astrophysique . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.1 Aélérateursosmiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.1.2 Prodution deneutrinos muoniquesetéletroniques . . . . . . . . 7

1.1.3 Osillationdesneutrinos lors de leurpropagationdansl'univers . . 8

1.1.4 Soures potentielles deneutrinos etuxattendus . . . . . . . . . . 9

1.2 Bruitde fond:muonsetneutrinos atmosphériques . . . . . . . . . . . . . 14

1.2.1 Interation desrayonsosmiques primairesave l'atmosphère . . . 14

1.2.2 Muonsatmosphériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2.3 Neutrinos atmosphériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2 Prinipe de détetion de

ν

τ → µ

ν

τ

2.2 Désintégration muonique dulepton tau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.3 Propagationdanslamatière desmuonsetdes taus . . . . . . . . . . . . . 19

2.3.1 Bremsstrahlungetréation depaire

e

e

2.3.2 Eetphotonuléaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.4 Produtionde photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.4.1 Photonsƒerenkov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.4.2 Lumièreƒerenkovproduitepar lesasadeséletromagnétiqueset hadroniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.5 Signature de ladésintégration d'untau en muon . . . . . . . . . . . . . . 25

2.6 Signature desautres anaux dedésintégration . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3 Le déteteur IeCube 29 3.1 Dispositifexpérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.2 Lesmodules optiques digitaux(DOM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.3 Système d'aquisitiondesdonnées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.3.1 Chaîned'aquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.2 Méthodesde reonstrution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.2.1 Algorithmede première estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.2.2 Algorithmes baséssur unmaximumde vraisemblane . . . . . . . 44

5 Reonstrutionde paramètresphysiquesliés àl'identiationde

τ → µ

5.2 Estimationde laperted'énergie lelongd'une trae . . . . . . . . . . . . . 52

5.2.1 Estimationde la harge reçuepar DOM à partirde laperted'én- ergie viales tablesphotoniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.2.2 Estimationde laperted'énergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.2.3 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.3 Médianede laperted'énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.3.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.3.2 Médianede laperted'énergie pour desmuons . . . . . . . . . . . . 57

5.3.3 Médiane de la perte d'énergie pour des taus se désintégrant en muon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

5.3.4 Optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.4 Rapportdesmédianesdes pertes d'énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5.4.1 Méthode durapportmaximumdesmédianes . . . . . . . . . . . . 62

5.4.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

5.5 Homogénéité de ladistributiondeshits lelong delatrae . . . . . . . . . 66

6 Séletion d'événements 69 6.1 Nombre d'événementsattendus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

6.1.1 Éhantillon de signalsimulé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

6.1.2 Éhantillons de bruit defond simulé . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

6.1.3 Éhantillon-test dedonnées réelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

6.2 Coupuresdéveloppéespour séletionnerles tausse désintégrant enmuon . 72 6.2.1 Coupure surlezénith . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

6.2.2 Coupure sur le nombre de hits direts etsur lenombre de photo- életrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Table des mati`eres

6.2.4 Coupure surleparamètre de sortiede l'arbrede déision . . . . . . 78

6.2.5 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

7 Résultats 87 7.1 Limitessupérieures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

7.2 Erreurssystématiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

7.2.1 Fluxde neutrinosatmosphériques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

7.2.2 Eaité desDOMs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

7.2.3 Modélisation delaglae antartique . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

7.2.4 Erreur systématiquetotale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

7.3 Conlusionetdisussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Conlusion et perspetives 95 A Charge enregistrée multipliée par la distane perpendiulaire entre le DOM et la trae 97 A.1 Charge enregistréepar DOM

Q

A.1.1 Distane perpendiulaire entre un DOM et la trae

D

Q

· D

B Méthode d'identiation basée sur l'ajustement à une fontion sig- moïde 101 B.0.2 Fontion sigmoïde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

B.0.3 Ajustement de la distribution de NPE le long de la trae à une sigmoïde pour destau2mu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

B.0.4 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

Introduction

Introdution

Lesujetdeettethèseestauroisementdedeuxbranhesdelaphysique:laphysique

despartiules, quis'intéresseàl'inniment petitetl'astrophysique,quis'intéresseàl'in-

niment grand.

La physiquedespartiulesapour objetlesonstituantsultimes delamatière.L'idée

quela matièreseomposede partiulesindivisibles date d'ilyaplus de 2000 ans,mais

en'est qu'àpartir du20 èmesièlequelaphysique nuléaireetlaméanique quantique

permettent de dérireesonstituantsetqueles avanées tehnologiques permettent de

les observerexpérimentalement.Un nombreimportant de partiulesfut alors postuléet

déouvert des années 1930 auxannées 1970. C'est dans e ontexte que l'hypothèse de

l'existeneduneutrino fut émiseen 1930par Pauli and'expliquer lespetre enénergie

de ladésintégrationbeta.Vingt ansplus tard, Reineset Cowan observèrent expérimen-

talement le premier neutrino auprès d'un réateur nuléaire. Il s'agissait d'un neutrino

életronique assoié à l'életron. En 1962, le neutrino muonique assoié au muon fut à

son tour déouvert à Brookhaven. En 1990, le LEP au CERN démontra qu'il n'existe

quetroisfamillesdeneutrinoslégersetletroisièmeneutrino,leneutrino tauique(tpour

third),fut mis en évideneexpérimentalement en2000 dansl'expérieneDONUT.

L'astrophysique elle aussifasine les hommes depuis la nuit destemps. Depuis tou-

jours l'homme a sruté le iel, d'abord à l'oeil nu puis à l'aide de tehnologies de plus

en plus avanées. La première révolution eu lieu aux alentours de 1600 ave l'invention

du télesope. Pendant des sièles les observations astronomiques furent alors eetuées

dansledomaine de lalumière visible.En1912 VitorHessdéouvritqu'un uxisotrope

de partiulesbombardel'atmosphère terrestre, les rayonsosmiques,etouvrit ainsiune

nouvelle fenêtre sur l'univers. La nature et laloalisation dessoures de prodution de

es rayons osmiques demeure mystérieuse à e jour. Les déouvertes de signaux radio

d'origine osmique au début des années 30 et du rayonnement gamma à la n des an-

nées60permirent auxastrophysiiensd'élargirleursobservationsduielenutilisantune

fenêtreétendue duspetreéletromagnétique. Cependant,l'astronomieà rayonsgamma

ne peut à elle seule résoudre l'énigme onernant les soures des rayons osmiques. En

plus des rayons osmiques et des rayons gamma, les observations astronomiques font

dorénavant usage d'un autre messager pour résoudre les mystères de notre univers : il

s'agitdu neutrino.

férentes étapes de e travail sont synthétisées sur la gure 1. Le premier hapitre se

onentre surles thèmesliés àl'astronomie duneutrino :les méanismes hypothétiques

de sa prodution dans des souresastrophysiques et la présene d'unbruit de fond sur

Terre issu de l'interation des rayons osmiques ave l'atmosphère. Le seond hapitre

a pour objetladétetion des neutrinos tauiques via l'identiation de ladésintégration

muoniqueduleptontau.Cettedernièreproduitunesignaturearatéristiquedansledé-

teteurIeCubesurlaquellenousbasonsnotretravaildeséletion.Letroisièmehapitre

présente le déteteur IeCube : d'abord l'instrumentation déployée dans la glae puis

les propriétés optiques de la glae antartique. Le quatrième hapitre ouvre les méth-

odes générales de simulation et de reonstrution utilisées au sein de la ollaboration

IeCube. Dans le inquième hapitre nous expliquons les méthodes de reonstrution

quenousavonsdéveloppéespourestimerlesparamètrespropresauxtaussedésintégrant

en muon. L'appliation d'une série de oupures an de séletionner les taus se désinté-

grant enmuonest présentée danslesixième hapitre.En plusdeséletionner lestausse

désintégrant en muon et de rejeter eaement le bruit de fond, nos oupures permet-

tent de garder une proportion non-négligeable de neutrinos tauiques produisant un tau

dont le anal de désintégration n'est pas le muon ou interagissant par ourant neutre.

Ces neutrinos tauiques onstituent également notre signal et sont pris en ompte lors

de l'estimation du nombre détetable de signal. Enn, le septième hapitre onerne la

limitesupérieuresurle uxdiusdeneutrinos tauiques aluléesuite à l'appliation de

nosoupures àunéhantillondedonnéesréelles enregistréeslorsdelasaison2009/2010.

Nous y détaillons également le alul d'erreurs systématiques pris en ompte lors de

l'estimation delalimite supérieure.

Introduction

Figure 1 Synoptique des diérentes étapes de notreanalyse. Lesparties oloriées en

gris représentent les ontributions originalesde e travail.

Prodution de neutrinos

Cettethèseapourobjetl'identiationdeneutrinostauiquesd'origineastrophysique

parmi un bruit fond de plusieurs ordres de magnitude supérieursonstitué de muonset

deneutrinosatmosphériques.Danslapremière setiondee hapitre nousprésentonsde

façon détaillée la prodution de neutrinos tauiques d'origine astrophysique et donnons

une estimation du ux attendu. Dans laseonde setionnous expliquons la prodution

de muonset de neutrinosdans l'atmosphère etdonnons làaussi une estimationdu ux

attendu.

1.1 Signal : neutrinos tauiques d'origine astrophysique

Lesdiérentes étapesdeprodution deneutrinostauiquessont expliquéesdansette

setionetillustréessurlagure1.1.La premièreétapeestl'aélérationdepartiulesde

très haute énergie dans des sites astrophysiques. Le modèle d'aélération de Fermi du

premierordre(se.1.1.1)aétédéveloppépourexpliquerlaprésenederayonsosmiques

detrèsgrandeénergieetlespetreenloidepuissanedeeux-i.Lespartiulesaélérées

interagissent ensuiteaveleurmilieuenvironnant(se.1.1.2)etproduisentdesneutrinos

életroniquesetmuoniques.Laprodutiondeneutrinostauiquesàetteétapeduproes-

susestquasiment nulle.Nousmontrons également qu'en plusdes neutrinos,on s'attend

àune prodution derayonsgamma. Une foisproduits,les neutrinoss'éhappent de leur

souredeprodutionetsepropagentsurdesdistanesastrophysiquesavantd'éventuelle-

ment arriversurTerre.Lors de leur propagationsur de grandes distanes,les neutrinos

muoniques osillent en neutrinos tauiques eton s'attendà observer surTerreautant de

neutrinos tauiques d'origine astrophysique que des neutrinos desautres saveurs. Enn,

nousprésentonsquelquessourespotentiellesd'émission deneutrinos ainsiqueleurux

attendu (se.1.1.4).

Figure 1.1 Shéma représentant les diérentes étapes de prodution de neutrinos

tauiques. Les trajetoires des protons et des gammas assoiés à la prodution de neu-

trinos sont également représentées. Les protons arrivant sur Terre ne pointent plus vers

leur diretion d'origine arils ont été dééhispar les hamps magnétiques présentsdans

l'univers. Lesrayonsgamma pointent vers leur lieu deprodution maissont absorbéspar

lamatière interstellaire. Seulleneutrino peutdon de sonderl'intérieur d'objets lointains

touten permettant de loaliser esderniers.

1.1.1 Aélérateurs osmiques

Observation des rayons osmiques

L'atmosphère terrestre est onstamment bombardée par un ux isotropique de par-

tiules,prinipalement desprotonsetdesnoyauxlourds,qu'onappellerayonsosmiques

primaires. Unearatéristique remarquabledurayonnement osmiqueestsonspetre en

loi de puissane, s'étendant sur au moins 12 ordres de grandeurs en énergie (g. 1.2 à

droite):

dN

dE ∝ E

1.1. Signal : neutrinos tauiques d’origine astrophysique

Figure1.2Gauhe:Vueglobaleduspetredesrayonsosmiques [27℄.Droite:Spetre

enénergiemesurépardesobservationsdiretespar ballonsousatellitesainsiquepardes

observations indiretespour desénergiesomprises entre 10TeV et100 EeV.

Ce spetreprésentedeuxhangementsde pente(voire trois)(g. 1.2à gauhe) [2℄:

α ≈







2.67 E < 2.51 PeV

3.10 2.51 PeV < E < 3.18

2.75 E > 3.18

(1.2)

La première transition, appelée le genou, se produitaux alentours de

3 PeV

spetral passe de 2.67 à 3.10. La seonde transition, la heville, se situe aux alentours

de 3 EeV où l'indie spetral diminue jusqu'à 2.75. L'expliation ouramment admise

onernant lavariation du genou estun hangement de soure émettant les rayons os-

miques à esénergies. En eet, l'énergieaquise par une partiule

E

lataille del'aélérateur

R

B

E

[

] ≃ Z 10

B [G] R [pc]

où

Z

nelàZ.La présened'un"seondgenou"auxalentours de

500 PeV

arellepeutrésulterd'uneoupureenénergiedesélémentslespluslourds.Apartir dela

relation (1.3),on peutestimer les aratéristiquesd'une soure (taille ethampmagné-

tique)apabled'aélérerlespartiulesauxénergieslesplushautes(g.1.3). Apartir de