Published November 10, 2023 | Version v1
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Experimental proof of principle of the Neutrino Tagging at NA62

Description

This thesis work objectives belong to the framework of neutrino physics at accelerators. In this context, an innovative technique is proposed, that will substantially reduce the systematic uncertainties linked to the neutrino oscillation studies: the neutrino tagging technique. The neutrino tagging technique proposes to instrument a neutrino beam line with silicon trackers to kinematically reconstruct properties of individual beam neutrinos produced in π± → μ±, ν-bar μ, K± → μ±, ν-bar μ decays. As a result, the initial neutrino flux is precisely determined and the individual neutrino energy can be reconstructed with a resolution better than 1%. Moreover, based on time and angular coincidence, the neutrinos kinematically reconstructed by the trackers can be individually associated to the neutrinos interacting in the neutrino detector, such that the precise measurement of their properties can be used for physics analyses (e.g. oscillations, cross-section). The main aim of this work is to demonstrate the feasibility of the neutrino tagging technique. The proof of principle of the neutrino tagging method has been performed using the NA62 experiment at CERN as a miniature neutrino experiment: its intense kaon beam copiously produces neutrinos when decaying as K+ → μ+νμ, its spectrometers act as tagger for the charged particles, and its electromagnetic calorimeter serves as neutrino detector. The implementation of the neutrino tagging at a Long Baseline Neutrino Experiment is described in detail, as well as the blind analysis performed on NA62 data. Two tagged neutrino candidates are found in the signal region, proving the feasibility of this technique. Finally, the data analysis on the data from a test beam performed on modules based on the NA62 GigaTracKer technology, aimed to study the time resolution budget in silicon pixel detectors, is presented. (author)

Abstract (French)

Ce travail de these s'inscrit dans le cadre de la physique des neutrinos aux accelerateurs. Dans ce contexte, une technique innovante est proposee, qui permettra de reduire significativement les incertitudes systematiques liees aux etudes des oscillations des neutrinos: la technique du neutrino tagging. Cette technique propose d'instrumenter une ligne de faisceau de neutrinos avec des detecteurs en silicium, afin de reconstruire cinematiquement les proprietes de chaque neutrino du faisceau produits dans les desintegrations π± → μ±, ν-bar μ, K± → μ±, ν-bar μ. Le flux initial de neutrinos est donc precisement determine et l'energie individuelle des neutrinos est reconstruite avec une resolution meilleure que 1%. De plus, grace aux coincidences temporelles et angulaires, les neutrinos reconstruits cinematiquement par les trajectographes peuvent etre associes individuellement aux neutrinos interagissant dans le detecteur de neutrinos. La mesure precise de leurs proprietes peut donc etre utilisee pour des analyses de physique (par exemple, des oscillations, des sections efficaces). L'objectif principal de ce travail est de demontrer la faisabilite de la technique du neutrino tagging. La preuve de principe de cette methode a ete realisee en utilisant l'experience NA62 au CERN comme experience de physique de neutrinos en miniature: son intense faisceau de kaons charges produit des neutrinos lors de leur desintegration en K+ → μ+νμ, ses spectrometres reconstruisent les proprietes des particules chargees, et son calorimetre electromagnetique sert de detecteur de neutrinos. La mise en oeuvre de la technique du neutrino tagging dans le cadre d'une experience de neutrinos a longue ligne de base est decrite en detail, de meme que l'analyse en aveugle effectuee sur les donnees de NA62. Au terme de l'analyse, deux candidats neutrinos taggues ont ete observes, demontrant ainsi la faisabilite de cette technique. Enfin, l'analyse des donnees provenant d'un test sur faisceau effectue sur des modules bases sur la technologie du GigaTracKer de NA62, visant a etudier la resolution temporelle dans les detecteurs en pixels de silicium, est presentee. (auteur)

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Original title (English)
Epreuve experimentale de la technique du Neutrino Tagging a NA62

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Imprint Pagination
179 p.
Report number
FRNC-TH--15850

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