Published June 4, 2021 | Version v1
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Toward the search of a sterile neutrino with the SoLid experiment at the SCK-CEN BR2 reactor: detector calibration and design of a multivariate topological selection of antineutrino events

Description

The SoLid experience is based near the BR2 research reactor at SCK-CEN, Belgium. Its aim is to search for neutrino oscillation at very short baseline, which would explain the so-called Reactor Antineutrino Anomaly via the presence of a new particle, a sterile neutrino. The measurement of antineutrino energy spectrum from the reactor highly enriched in Uranium 235, SoLid would help to understand the disagreement between predicted and measured observed by previous experiment (so-called 5 MeV bump). In order to fight against the important cosmic induced background inherent in ground-level experiment, the SoLid detector is high segmented: with 12,800 detection cells read-out by 3,200 MPPCs. Electronic antineutrinos are detected via Inverse Beta Decay (IBD), thanks to a new detection technology involving the combination of plastic scintillator, the PVT, and mineral scintillator, the ZNS. Thesis contributions could divided in three main parts. First consisted in the energy calibration of the detector. This is a challenge due to the high segmentation of the target. The second one extended the calibration by adjusting the energy response in the simulation improved its code. Finally, the last one conceived the selection and extraction of the signal. With the development of new discriminating variables which exploits the annihilation gammas from IBD and using multivariate analysis tools. Then via the improvement of the official signal extraction method and the development of a new one for comparison purpose. Among other things, my work allows to control the energy scale of SoLid cubes at around a 2% level and improve by a factor 4 the signal over background ratio for the same signal efficiency. (author)

Abstract (French)

L'experience SoLid est basee aupres du reacteur de recherche BR2 a SCK-CEN, Belgique. Son but est de rechercher une oscillation de neutrino a tres courte distance, qui expliquerait l'anomalie dite du flux d'antineutrinos de reacteur, par la presence d'une nouvelle particule, le neutrino sterile. En mesurant le spectre en energie des antineutrinos emis par ce reacteur tres enrichi en Uranium 235, SoLid aiderait aussi a comprendre la difference de forme entre spectres predit et mesure, constatee par des experiences anterieures ('bump a 5 MeV'). Afin de lutter contre les importants bruits de fond d'origine cosmique inherents aux experiences situees en surface, SoLid a opte pour une segmentation tres elevee: le detecteur se compose de 12,800 cellules de detection lues par 3,200 MPPC. Les antineutrinos electroniques sont detectes via des Decroissances Beta Inverses (IBD), avec une nouvelle technologie de detection s'appuyant sur l'association d'un scintillateur plastique (PVT) et mineral (ZnS). Les contributions de cette these peuvent se diviser en trois principales parties. Un premier volet a consiste dans la calibration en energie du detecteur. Ceci est un defi au vu de la haute segmentation du detecteur. La seconde contribution a porte sur l'ajustement de la reponse en energie dans la simulation et a ameliore son code. Enfin, la derniere contribution a porte sur la selection et l'extraction du signal. Tout d'abord avec le developpement de nouvelles variables discriminantes exploitant les gamma d'annihilations issus de l'IBD et en utilisant des techniques d'analyse multivariable. Puis via l'amelioration de la methode officielle d'extraction du signal et le developpement d'une nouvelle methode a des fins de comparaison. Mes travaux permettent entre autres de maitriser l'echelle en energie des cubes de SoLid a environ 2% et d'ameliorer d'un facteur 4 le rapport signal sur bruit de la selection d'evenements IBD, en maintenant constante son efficacite sur le signal. (auteur)

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Original title (English)
Vers la recherche d'un neutrino sterile avec l'experience SoLid au reacteur BR2 de SCKCEN: calibration du detecteur et conception d'une selection topologique et multivariee d'evenements antineutrinos

Publishing Information

Imprint Pagination
304 p.
Report number
FRNC-TH--13150

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Notes
92 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses