Measurement of the neutrino mixing angle θ₁₃ in the Double Chooz experiment

Resumen

El ángulo de mezcla de neutrinos theta13 es uno de los parámetros que determinan la relación entre los autoestados de sabor y los autoestados de masa de los neutrinos. El fenómeno de la oscilación de los neutrinos (el cambio periódico en la probabilidad de medir un cierto sabor del neutrino en función de la distancia recorrida) demuestra que ambos conjuntos de autoestados difieren entre sí, y que los neutrinos poseen una masa no nula. A diferencia de los otros ángulos de mezcla de neutrinos, theta12 y theta23, el ángulo theta13 es pequeño y fue medido por primera vez en los años 2011 y 2012 por varios experimentos, Double Chooz entre ellos. La importancia de theta13 radica no sólo en que es un parámetro fundamental de la naturaleza, sino que sólo en el caso en el que los tres ángulos no sean cero es posible que exista violación de la simetría CP en la oscilación de neutrinos. El experimento Double Chooz mide theta13 a partir de la desaparición de antineutrinos electrónicos en el flujo de antineutrinos emitido por los reactores de la central nuclear de Chooz (Francia). Los antineutrinos electrónicos se detectan usando la reacción de desintegración beta inversa en la que un antineutrino electrónico interacciona con un protón del detector produciendo un positrón y un neutrón. Para ello, Double Chooz cuenta con dos detectores idénticos: uno cerca de los reactores (a 400 m aproximadamente, el Near Detector), que mide el flujo de antineutrinos electrónicos donde la desaparición apenas ha comenzado, y otro lejos de los reactores (a 1050 m aproximadamente, el Far Detector), que lo mide donde la desaparición es casi máxima. El uso de dos detectores idénticos permite reducir las incertidumbres en el flujo de antineutrinos de los reactores y en la detección de los antineutrinos, mejorando la precisión en la medida de theta13. La construcción de los detectores se ha realizado de forma escalonada: el Far Detector empezó a tomar datos en abril de 2011, mientras que el Near Detector inició la toma de datos a finales de 2014. Por ello, esta tesis sólo incluye los datos procesados del Far Detector, que corresponden a 489.51 días. En esta fase con un único detector, el flujo de antineutrinos electrónicos esperado en el detector se obtiene de una simulación Monte Carlo del experimento. Por tanto, la fidelidad de esta simulación es clave para obtener una medida exacta de theta13. En esta tesis se describen las dos medidas de theta13 más precisas realizadas por el experimento Double Chooz hasta la fecha usando las capturas de los neutrones producidos por los antineutrinos electrónicos en núcleos de gadolinio e hidrógeno. La energía de los sucesos es una variable fundamental en la selección de los antineutrinos y en la posterior medida de theta13 a partir del espectro de positrones. Por ello, la reconstrucción de la energía se describe exhaustivamente en esta tesis, con énfasis en la mejora de la eficiencia de reconstrucción de señales de baja carga, que logra una mayor linealidad en la respuesta del detector. La eficiencia de detección de neutrones representa la mayor incertidumbre sistemática asociada la detección de los antineutrinos en el canal de Gd y la segunda mayor en el canal de H. En esta tesis se describen los nuevos métodos desarrollados para su estimación con mayor precisión en todo el volumen del detector. La tesis incluye la caracterización de una red neuronal desarrollada para reducir el ruido de fondo dominante en la selección de antineutrinos en el canal de H. El análisis simultáneo de los datos de los dos detectores proporcionará una mejora crucial en la precisión en la medida de theta13 al producirse la cancelación de las incertidumbres correlacionadas entre detectores. En la tesis se incluye la estimación de la precisión alcanzable por Double Chooz en la fase de dos detectores.