Soutenance de thèse de Ilenia SALVADORI

L’objectif principal de ce travail de thèse est de fournir une nouvelle mesure des paramètres d’oscillation des neutrinos atmosphériques en utilisant dix années de données collectées par le télescope à neutrinos ANTARES. Après une introduction sur les grandes étapes scientifiques qui ont amené, d’abord à émettre des hypothèses puis à prouver l’existence de neutrinos, la théorie des oscillations neutrino est rappelée. Le télescope à neutrinos ANTARES est introduit, son mécanisme de détection décrit et le système d’acquisition de données expliqué. Un chapitre dédié a été consacré à la détermination de l’efficacité de la détection des photons des modules optiques ANTARES grâce à des désintégrations de K40 dans l’eau de mer. Cela a été une partie importante du travail de thèse; Les résultats ont été soumis pour publication au European Physical Journal C et servent d’entrée pour la chaîne de simulation Monte Carlo d’ANTARES la plus à jour. L’ensemble de la procédure de simulation d’événements développée au sein de la Collaboration ANTARES est ensuite décrite, à partir de la génération des événements, jusqu’à leur propagation à travers le volume du détecteur et jusqu’à leur détection finale. Des efforts ont été déployés pour tester différentes paramétrisations des propriétés de l’eau sur le site d’ANTARES, afin de fournir la contribution la plus précise possible à la nouvelle production de simulation Monte Carlo qui a été développée au cours de l’année dernière. Ces tests sont également présentés. Les différentes procédures de reconstruction d’événements qui ont été utilisées dans toutes les analyses présentées sont introduites, ainsi que les méthodes employées pour l’estimation de l’énergie des neutrinos. Les différents critères de sélection d’événements qui ont été testés, afin de garantir un échantillon final aussi pur que possible des événements de fond, sont discutés. L’analyse actuelle des oscillations de neutrinos atmosphériques est ensuite présentée et les différentes sources d’incertitudes systématiques qui ont été considérées sont discutées. Les neutrinos atmosphériques ascendants qui traversent la Terre sont affectés par le phénomène des oscillations neutrino, qui supprime le flux observé des événements induits par νμ. Pour les neutrinos ascendants verticaux, le premier minimum d’oscillation est atteint à une énergie d’environ 24 GeV, suffisamment élevée pour être détectée par ANTARES. Après une première étude de sensibilité basée sur simulation Monte Carlo, qui a été réalisée pour évaluer le potentiel de l’analyse et faire le choix final des critères de sélection de qualité optimale, l’échantillon de données final est présenté et les résultats discutés. Le même ensemble de données est utilisé pour contraindre le modèle neutrino 3 + 1, qui prévoit l’existence d’un neutrino supplémentaire, le neutrino sterile, qui n’interagit pas comme les autres mais dont la présence peut modifier le diagramme d’oscillation des neutrinos standards. Cette analyse a également été une partie très importante du travail de thèse. Une première étude de sensibilité basée sur simulation Monte Carlo, telle que réalisée pour l’analyse d’oscillation standard, est présentée, puis les résultats finaux sont discutés. Une dernière partie est consacrée à une autre analyse, dont l’objectif est de fournir des limites complémentaires au modèle neutrino 3+1 en regardant des événements d’énergie plus élevée. Pour cette étude, seule une étude préliminaire de sensibilité a été réalisée, et le potentiel de l’analyse est discuté. Des conclusions sont ensuite données, incluant en particulier un résumé des résultats obtenus et quelques perspectives d’avenir pour KM3NeT, le télescope à neutrinos de seconde génération en Méditerranée.

The main goal of this thesis work is to provide a new measurement of the atmospheric neutrino oscillation parameters using ten years of data collected by the ANTARES neutrino telescope. After an introduction on the major scientific steps which have brought, first to hypothesize and then to prove the existence of neutrinos, the theory of neutrino oscillations is recalled. The ANTARES neutrino telescope is introduced, its detection mechanism described and the data acquisition system explained. A dedicated Chapter has been devoted to the determination of the ANTARES optical modules photon detection efficiency through K40 decays in sea water. This has been an important part of the thesis work; results have been submitted for publication to the European Physical Journal C and serve as input for the most up-to-date ANTARES Monte Carlo simulation chain. The whole event simulation procedure developed within the ANTARES Collaboration is then described, starting from the event generation, to their propagation through the detector volume and to their final detection. Some effort has been spent in testing different water models at the ANTARES site, in order to provide the more precise input as possible for the new Monte Carlo production which has been developed within the last year. These tests are presented as well. The different event reconstruction procedures which have been used in all the analyses presented are introduced, as well as the methods employed for the estimation of the neutrino energy. Different tested quality event selection criteria, in order to ensure a final sample as pure as possible from background events, are discussed. The actual atmospheric neutrino oscillation analysis is then presented and the different sources of systematic uncertainties which have been considered are discussed. Up-going atmospheric neutrinos which traverse the Earth are affected by the phenomenon of neutrino oscillations, which suppresses the observed flux of ν μ induced events. For vertical up-going neutrinos the first oscillation minimum is reached at an energy of around 24 GeV, which is high enough to be detected by ANTARES. After a first Monte Carlo based sensitivity study, which was made in order to evaluate the potential of the analysis and to make the final choice on the optimal quality selection criteria to be applied, the final data sample is presented and results are discussed. The same data set is used to constraint the 3+1 neutrino model, which foresees the existence of an additional neutrino, the sterile one, which does not interact as the others but whose presence can modify the oscillation pattern of the standard neutrinos. This analysis has also been a considerable part of the thesis work. A first Monte Carlo sensitivity study, as done for the standard oscillation analysis, is presented and then final results are discussed. A final part is devoted to another analysis, whose aim is to provide complementary limits on the 3+1 neutrino model by looking at higher energy events. For this study only a preliminary sensitivity study has been done, and the potential of the analysis is discussed. Conclusions are then given, including a summary of the obtained results and some future prospects for KM3NeT, the second-generation neutrino telescope in the Mediterranean Sea.