Description du sujet de thèse

L’oscillation de neutrino a été observée pour la première fois il y a 25 ans, lorsque l’expérience Super-Kamiokande détecta la disparition des neutrinos atmosphériques. En deux décennies, de fabuleux progrès ont ete realisé dans la compréhension de l’oscillation de neutrinos, si bien qu’ils ont ouvert la porte d’une nouvelle ère. Nous avons a présent la possibilité de mesurer la possible violation de la symétrie CP dans le secteur des leptons au travers de l’oscillation de neutrinos, et par elle, de proposer la toute première brique expliquant l’asymétrie entre la matière et l’antimatière que nous observons dans notre univers actuel. Par ailleurs, a une échelle moindre, si la différence de masse entre les types de neutrinos a été mesuré avec précision, il demeure une incertitude quand a la hiérarchie de ces masses. Cette détermination, dite de la hiérarchie de masse, permettra d’abord d’affiner les mesures de violation de CP, mais aussi de contraindre les modèles de Supernovae ou de formation des grandes structures a l’échelle cosmologique.

Cette proposition de thèse offre la possibilité de préparer la mesure finale tant de la violation de la symétrie CP que de la hiérarchie de masse en utilisant les détecteurs Super- et Hyper-Kamiokande. Le premier est un observateur de neutrino au Japon constitué de 50 kton d’eau ultra-pure, et permettant de détecter les neutrinos provenant du Soleil, des Supernovae, de l’atmosphère ou produits sur Terre via un accélérateur lui-aussi situé au Japon. En particulier, ces neutrinos d’accélérateurs permettent la mesure précise du paramètre de violation CP (δCP), tandis que les neutrinos atmosphériques ont une sensibilité plus importante a la hiérarchie de masse des neutrinos. Si la valeur de ces paramètres suit les mesures actuelles, les résultats de cette génération d’expérience (Super-Kamiokande) permettront probablement de mesurer les premières indications de violation de la symétrie CP et la hiérarchie de masse a 3σ dans les 3 prochaines années. Bien qu’exceptionnel, ce résultat ne pourra etre complet qu’avec une nouvelle génération d’expériences. Pour ce faire, le détecteur Hyper-Kamiokande, une cuve d’eau de 260kton et successeur de Super-Kamiokande, est actuellement en construction au Japon et prendra ses premieres données en 2027.

Ce projet de these propose une double approche. Dans un premier temps, l’étudiant sous la direction de l’équipe se verra proposer de réaliser un tout nouvel algorithme de reconstruction de Hyper-Kamiokande, basé sur des méthodes modernes de réseaux de neurones et d’apprentissage profond, afin de maximiser notre sensibilité la physique des oscillations pour les vingts prochaines années. Dans un second temps, ce nouvel algorithme sera utilisé sur les données existantes de Super-Kamiokande afin de le tester sur les neutrinos atmosphériques et d’accélérateurs, et surtout, dans l’optique de proposer la meilleure mesure au monde de la violation CP et de la hiérarchie de masse sur Super-Kamiokande.

Par ailleurs, l’étudiant aura la possibilité unique de participer a la construction de Hyper-Kamiokande, que ce soit directement au Japon ou en participant a la mise en place du banc de calibration de l’électronique du détecteur. Ce banc test est développé localement au LLR, et sera ensuite installé directement au CERN fin 2024.

Contexte de travail

Equipe du laboratoire : Laboratoire Leprince-Ringuet, École polytechnique – Groupe Neutrino
Le groupe neutrinos du LLR a été créé en 2006 par Michel Gonin, en tant que premier groupe historique en France à travailler sur les expériences neutrinos de pointe au Japon. Depuis lors, le groupe a rejoint l'expérience unique T2K, qui a été la première à découvrir l'apparence des neutrinos et à fournir les toutes premières indications d'une violation de la symétrie leptonique CP. Depuis 2016, le groupe a également rejoint l'expérience Super-Kamiokande, et a bâti un leadership fort en son sein en ce qui concerne la détection et la phénoménologie des neutrinos DSNB.
Le groupe est composé de 6 chercheurs permanents et de 3 doctorants, qui possèdent une expertise unique dans les neutrinos de haute énergie (violation de CP, problème de hiérarchie de masse, etc.) et de basse énergie (supernovae, neutrinos solaires ou de réacteur). Dans le cadre du sujet proposé, les deux membres contact dirigent l'effort de reconstruction de l'Hyper-Kamiokande, ainsi que les groupes de travail sur l'analyse des oscillations T2K. De plus, le groupe collabore avec les ingénieurs logiciels du LLR ainsi qu'avec le laboratoire ILANCE (situé au Japon) afin de construire un leadership fort dans les algorithmes basés sur le Machine-Learning.

Des déplacements fréquents au Japon et au CERN (travail à ILANCE, réunion de collaboration, prise de données…) sont également attendus.

Contraintes et risques

Deplacements frequents au Japon