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 developpé
localement au LLR, et sera ensuite installé directement au CERN fin 2024.

Contexte de travail

Le groupe neutrino du LLR a été créé en 2006 par Michel Gonin, et est le premier groupe français a rejoindre le programme neutrino au Japon. Le groupe a ensuite rejoint l'expérience T2K, a participe a la première découverte de l'apparition de neutrino, et surtout, a publie les premières indications de violation de la symétrie CP dans le secteur des leptons. Depuis 2016, le groupe a également rejoint l'expérience Super-Kamiokande, ou il a construit un fort leadership dans les analyses de recherche de fond diffus de neutrinos de Supernovæ, ainsi que dans la phénoménologie.

Le groupe est compose de 5 chercheurs permanents, 2 chercheurs post-doctoraux et 6 étudiants en thèse, ayant une expertise unique tant dans les neutrinos de haute (violation CP, hiérarchie de masse des neutrinos etc.) que de basse énergie (Supernovæ, neutrinos solaires ou de réacteurs). Les chercheurs proposant ce sujet mènent l'effort de reconstruction de l'expérience Hyper-Kamiokande, ainsi que les analyses d'oscillation de T2K. Par ailleurs, le groupe collabore étroitement avec les ingénieurs informatiques du LLR ainsi qu'avec le laboratoire ILANCE (au Japon) afin de construire un fort leadership dans les algorithmes de reconstruction bases sur de l'apprentissage profond (Deep Learning).

Des voyages fréquents au Japon et au CERN (travail a ILANCE, réunion de collaboration, prise de données…) sont a prévoir.