Development of the CryoCube detector for research into new neutrino physics with the Ricochet experiment at the Institut Laue Langevin
Développement du détecteur CryoCube pour la recherche de nouvelle physique dans le secteur des neutrinos avec l’expérience Ricochet à l’Institut Laue Langevin
Résumé
Coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CEνNS) is a physical process in which a neutrino coherently transfers part of its energy to the nucleus of an atom. By measuring the recoil energy of the atomic nucleus using a detector with a very low detection threshold, it is possible to effectively constrain a number of physics models beyond the Standard Model, showing distortions in the recoil energy spectrum at the lowest energies. The main scientific objective of the Ricochet experiment is to measure the latter with the utmost precision, in order to observe any signs of new physics. To this end, the Ricochet experiment, which will host two main detectors: the Q-Array and the CryoCube, will be installed at the Institut Laue Langevin (ILL). This is a nuclear research reactor producing a high neutrino flux of the order of 10 neutrinos per cm2 per second at a distance of 8.8 m from the reactor core. In this manuscript, we will focus on the mini-CryoCube and its specific features, as well as initial results showing that the detector has achieved an energy resolution of 30.8 eVee (RMS) with a stability compatible with the CryoCube specifications. We will then examine the techniques being considered to achieve a resolution of at least 20 eV per measuring channel (heat, ionization) for this detector. An important part of the work presented consists in optimizing and developing new algorithms to process raw data and extract reduced data required for precisionphysics analysis. Finally, we will discuss an innovative project. The wifi-KID is a prototype detector equipped with a thin-film kinetic inductance sensor, a superconducting temperature sensor that can be easily multiplexed. It offers a relevant technical solution for future rare-event experiments (dark mater direct detection, CEνNS). The baseline energy resolution (RMS) of this prototype has been improved by a factor of three, from factor of three, from ∼ 2 keV to 0.7 keV during the course of this thesis.
La diffusion cohérente élastique neutrino-noyau (CEνNS) est un processus physique au cours duquel un neutrino transfère une partie de son énergie au noyau d’un atome de façon cohérente. En mesurant l’énergie de recul du noyau atomique avec un détecteur à très faible seuil de détection, il est possible de contraindre efficacement un certains nombre de modèles de physique au-delà du modèle standard faisant apparaître des distorsions dans le spectre d’énergie de recul aux plus basses énergies. L’objectif scientifique principal de l’expérience Ricochet consiste à mesurer ce dernier avec la plus grande précision, afin d’observer d’éventuels signes de nouvelle physique. Pour ce faire, l’expérience , qui comportera deux détecteurs principaux : le Q-Array et le CryoCube, sera installée à l’Institut Laue Langevin (ILL). Il s’agit d’un réacteur nucléaire de recherche produisant un flux de neutrinos important de l’ordre de 1012 neutrinos par cm2 et par seconde à une distance du cœur du réacteur de 8.8 m . Dans ce manuscrit, nous étudierons principalement le mini-CryoCube et ses spécificités ainsi que ses premiers résultats qui montrent que le détecteur à atteint une résolution en énergie de 30.8 eVee (RMS) avec une stabilité compatible avec le cahier des charges du CryoCube. Nous verrons quels sont les techniques envisagée pour atteindre une résolution d’au moins 20 eV (RMS) par canal de mesure (chaleur, ionisation) pour ce détecteur. Une partie importante du travail présenté consiste en l’optimisation et le développement de nouveaux algorithmes de traitement des données brutes pour extraire des données réduites, permettant la réalisation d’analyses de physique de précision. Nous verrons comment la librairie MPS permet de traiter et de simuler ces données brutes. Finalement, nous discuterons d’un projet d’ouverture. Le wifi-KID est un prototype de détecteur instrumenté par senseur à inductance cinétique en couche mince, qui est un senseur de température supraconducteur très facilement multiplexable. Offrant une solution technique pertinente pour la réalisation de futures expériences de recherche d’événements rares (détection directe de matière noire, CEνNS). La résolution ligne de base (RMS) de ce prototype a été améliorée d’unfacteur trois, passant de ∼ 2 keV à 0.7 keV au cours de cette thèse.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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