Analysis of the single π+ production in neutrino neutral current interactions and instrumentation developments for the future understanding of neutrino physics using the ND280 detector of the T2K experiment

Abstract

Un dels camps de recerca més actius dins la física d'altes energies és l'estudi dels neutrins. En la teoria dominant, continguda en l'anomenat Model Estàndard (ME) de la física de partícules, la fenomenologia de la física de neutrins està determinada per set graus de llibertat: tres masses ((m1,m2,m3) , tres angles de mescla (θ12, θ13, θ23) i una fase que viola la simetria CP (δCP). Actualment, el desafiament experimental més destacat en la física de neutrins és determinar amb precisió els valors d'aquests paràmetres per validar el ME o descobrir nova física.

L'experiment Tokai-To-Kamioka (T2K) és una de les principals referències al camp. A T2K es produeix mitjançant un accelerador un feix de neutrins o antineutrins que és mesurat en dues ubicacions: a 280m del punt de producció mitjançant el detector ND280 ia 295 km de distància amb el detector Super-Kamiokande. ND280 s'utilitza per tal de caracteritzar les propietats del feix de neutrins abans que es produeixin efectes d'oscil·lació significatius i per estudiar com interactuen els neutrins a les energies rellevants per a T2K. Amb aquest coneixement es calcula una predicció del número d'esdeveniments esperats a Super-Kamiokande que en combinació amb les dades permet mesurar θ13, θ23, Δm2 23 = m22 − m23 y δCP.

Dos factors limiten mesures més precises a T2K. D'una banda, el nombre limitat d'interaccions recopilades que determina l'error estadístic. D'altra banda, les incerteses sistemàtiques relatives als models que descriuen les interaccions de neutrins, el detector i el feix. Si bé l'error estadístic disminuirà en els propers anys a mesura que T2K continuï funcionant, cal treballar activament per reduir les incerteses sistemàtiques. En aquesta tesi s'estudien dues maneres d'aconseguir-ho mitjançant el desenvolupament d'un nou anàlisi i avenços en instrumentació.

A l'anàlisi d'oscil·lació (AO) de T2K, una de les principals fonts d'incertesa sistemàtica és la de les interaccions de neutrins intervinguts per corrents neutres que generen un únic π+ a l'estat final (NC1π+). El coneixement actual sobre aquest procés és limitat pel fet que l'única mesura reportada consisteix en menys de cent interaccions registrades el 1978 per la càmera de bombolles de l'experiment Gargamelle. En aquesta tesi es presenta el primer estudi d'aquest tipus d'interaccions fet amb un experiment modern de neutrins mitjançant l'anàlisi de dades de T2K recol·lectades pel detector ND280. Amb aquest propòsit, s'ha desenvolupat un nou algorisme de selecció d'esdeveniments a ND280. Els resultats preliminars constitueixen la descripció més detallada de la naturalesa del procés. A més, la incertesa de la secció eficaç extreta és menys de la meitat de la utilitzada actualment a l'AO de T2K i, per tant, té el potencial de millorar significativament les futures mesures d'oscil·lació de neutrins a T2K.

Millorar els instruments existents és una tasca essencial per reduir les incerteses sistemàtiques. A aquest efecte, el detector ND280 està sent millorat mitjançant l'addició de tres noves tecnologies de detecció: dues noves càmeres de projecció temporal (HATPCs), un nou detector de gra superfí (SuperFGD) i sis panells de temps de vol (ToF). En aquesta tesi, es presenten contribucions rellevants al desenvolupament d'aquestes tecnologies, que inclouen: estudis de sensibilitat basats en simulació, proves de validació dels mòduls de lectura ERAM per a les HATPCs, la caracterització dels senyals i del potencial d'identificació de particules de SuperFGD usant un prototip i el desenvolupament de nous mètodes de reconstrucció per a SuperFGD i els panells ToF basats en algorismes daprenentatge profund.

Uno de los campos de investigación más activos dentro de la física de altas energías es el estudio de los neutrinos. En la teoría dominante, contenida en el llamado Modelo Estándar (ME) de la física de partículas, la fenomenología de la física de neutrinos está determinada por siete grados de libertad: tres masas ((m1,m2,m3), tres ángulos de mezcla (θ12, θ13, θ23) y una fase que viola la simetría CP (δCP). Actualmente, el desafío experimental más destacado en la física de neutrinos es determinar con precisión los valores de estos parámetros a fin de validar el ME o de descubrir nueva física.

El experimento Tokai-To-Kamioka (T2K) es una de las principales referencias en el campo. En T2K se produce mediate un acelerador un haz de neutrinos o antineutrinos que es medido en dos ubicaciones: a 280m del punto de producción mediante el detector ND280 y a 295 km de distancia con el detector Super-Kamiokande. ND280 se utiliza con el fin de caracterizar las propiedades del haz de neutrinos antes de que se produzcan efectos de oscilación significativos y para estudiar cómo interactúan los neutrinos en las energías relevantes para T2K. Con este conocimiento se calcula una predicción de la tasa de eventos en Super-Kamiokande que en combinación con los datos permite medir θ13, θ23, Δm2 23 = m22 − m23 y δCP.

Dos factores limitan mediciones más precisas en T2K. Por un lado, el limitado número de interacciones recopiladas que determina el error estadístico. Por otro lado, las incertidumbres sistemáticas relativas a los modelos que describen las interacciones de neutrinos, el detector y el haz. Si bien el error estadístico disminuirá en los próximos años a medida que T2K continúe funcionando, se necesita trabajar activamente para reducir las incertidumbres sistemáticas. En esta tesis se estudian dos formas de conseguirlo mediante el desarrollo de un nuevo análisis y avances en instrumentación.

En el análisis de oscilación (AO) de T2K, una de las principales fuentes de incertidumbre sistemática es la de las interacciones de neutrinos mediadas por corrientes neutras que generan un único π+ en el estado final (NC1π+). El conocimiento actual sobre este proceso es limitado debido a que la única medida reportada consiste en menos de cien interacciones registradas en 1978 por la cámara de burbujas del experimento Gargamelle. En esta tesis se presenta el primer estudio de este tipo de interacciones hecho con un experimento moderno de neutrinos mediante el análisis de datos de T2K recolectados por el detector ND280. Con este propósito, se ha desarrollado un nuevo algoritmo de selección de eventos en ND280. Los resultados preliminares constituyen la descripción más detallada de la naturaleza de este proceso. Además, la incertidumbre de la sección eficaz extraída es menos de la mitad de la utilizada actualmente en el AO de T2K y por ende, tiene el potencial de mejorar significativamente las futuras medidas de oscilación de neutrinos en T2K.

Mejorar los instrumentos existentes es una tarea esencial para reducir las incertidumbres sistemáticas. Con este fin, el detector ND280 está siendo mejorado mediante la adición de tres nuevas tecnologías de detección: dos nuevas cámaras de proyección temporal (HATPCs), un novedoso detector de grano superfino (SuperFGD) y seis paneles de tiempo de vuelo (ToF). En esta tesis, se presentan contribuciones relevantes al desarrollo de estas tecnologías, que incluyen: estudios de sensibilidad basados en simulación, pruebas de validación de los módulos de lectura ERAM para las HATPCs, la caracterización de las señales y del potencial de identificación de particulas de SuperFGD usando un prototipo y el desarrollo de nuevos métodos de reconstrucción para SuperFGD y los paneles ToF basados en algoritmos de aprendizaje profundo.

Nowadays, one of the most active research fields within the domain of high energy physics is the study of neutrinos. In the mainstream theory, encompassed in the Standard Model (SM) of particle physics, the phenomenology of neutrino physics is determined by seven degrees of freedom, consisting of three masses ((m1,m2,m3), three mixing angles (θ12, θ13, θ23) and a CP-violating phase (δCP). Currently, the most prominent experimental challenge in neutrino physics is to determine precisely the values of these parameters in order to better understand the fundamental behavior of nature and to to explore the validity of the SM.

The Tokai-To-Kamioka (T2K) experiment is one of the main references in the field. In T2K, an accelerator-based neutrino or antineutrino beam is produced and measured at two sites: At 280~m from the production point using the ND280 detector and 295~km away in the Super Kamiokande detector. ND280 is used to characterize the properties of the neutrino beam before any significant oscillation effects take place and to study how neutrinos scatter in matter at energies relevant to T2K. With this knowledge, an event rate prediction is calculated for Super Kamiokande that in combination with data is used to measure neutrino properties, in particular θ13, θ23, Δm2 23 = m22 − m23 y δCP.

Two factors limit more accurate measurements in T2K. On one hand, the limited number of collected neutrino events determines the amount of statistical error. On the other hand, event rate predictions are affected by systematic uncertainties regarding the detector, beam, and neutrino interaction models. While the statistical error will decrease in the coming years as T2K continues to collect data, active work is needed to reduce systematic uncertainties. In this thesis two ways to achieve it are studied consisting of analysis and instrumentation developments.

In T2K's oscillation analysis (OA) one of the main sources of systematic uncertainty is that of neutrino neutral current interactions that produce a single π+ in the final state (NC1π+). Current knowledge about this process is limited due to the fact that the only reported measurement consists of less than hundred interactions recorded in 1978 by the Gargamelle bubble chamber experiment. In this thesis, the first study of this type of interactions in a modern neutrino experiment is presented using T2K data collected by the ND280 detector. With this purpose, a new selection algorithm for ND280 data has been developed. The preliminary analysis of the output selected samples constitutes the most detailed description of the nature of this process. In addition, the extracted cross section uncertainty is less than half of that currently used in T2K OA and thus has the potential to significantly benefit future T2K oscillation measurements.

Improving existing instruments is an essential task to reduce systematic uncertainties. To this end, the ND280 detector is being significantly upgraded with the addition of three new detection technologies: two new High-Angle TimeProjection-Chambers (HATPCs), a novel fully Super-Fine-Grain-Detector (SuperFGD) and six Time-Of-Flight (ToF). In this thesis, relevant contributions to the development of these technologies are presented, including: simulation-based sensitivity studies, validation tests of the novel ERAM-based readout of the HATPCs, measurements of the response and the PID potential of SuperFGD using prototype data and the development of new deep learning reconstruction methods for SuperFGD and the ToF panels.