Study of single pion production in muon-neutrino interactions with the new WAGASCI detector in Japan
Etude de la production d’un pion dans l’interaction de neutrinos muoniques avec le nouveau détecteur WAGASCI au Japon
Résumé
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 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.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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