Measurement of the ø₁₃ neutrino mixing angle with the two detectors of the Double Chooz experiment

Resumen

El Modelo Estándar de Física de Partículas establece que los neutrinos son partículas sin masa. Sin embargo, el fenómeno de las oscilaciones de neutrinos, experimentalmente observado, por el que un neutrino puede ser detectado en cierto momento con otro sabor diferente al que tenía en su origen, solo puede tener lugar si los neutrinos son masivos. Estas oscilaciones están gobernadas por seis parámetros independientes: 3 ángulos de mezcla theta12, theta23 y theta13, dos diferencias cuadráticas de masa y una fase responsable de violación CP. El experimento Double Chooz ha sido capaz de proporcionar una determinación inequívoca de theta13 usando antineutrinos electrónicos de reactores nucleares, por medio de la desaparición de los antineutrinos al cabo de cierta distancia y la comparación del flujo observado entre los detectores cercano y lejano, idénticos entre sí, lo que permite reducir las incertidumbres sistemáticas asociadas a la predicción y detección del flujo de los reactores. El detector cercano (ND) de Double Chooz, en funcionamiento desde diciembre de 2014, se encuentra a una distancia de 400 metros de los reactores y es capaz de medir la tasa de antineutrinos antes de que tenga lugar la oscilación. Por su parte el detector lejano (FD), a 1050 metros y en funcionamiento desde abril de 2011, está situado cerca del máximo de oscilación. El objetivo principal de esta tesis se centra en mostrar la medida de theta13 más precisa del experimento usando 865 días de datos tomados, por primera vez, con los dos detectores. Para ello se ha desarrollado una nueva técnica de detección, llamada Total neutron Capture (TnC) que integra simultáneamente sobre las capturas de neutrones en núcleos de Gadolinio e Hidrógeno, procedentes de la interacción de los antineutrinos en todo el volumen centellador del detector. La técnica TnC aumenta el volumen efectivo de detección con el consiguiente aumento de estadística, y reduce la incertidumbre sistemática asociada a la detección, puesto que no hay necesidad de hacer una distinción entre los posibles isótopos que pueden capturar neutrones ni tampoco considerar las complejas corrientes de neutrones entre los diferentes volúmenes de los detectores. La determinación de los errores sistemáticos de detección es uno de los objetivos específicos de esta tesis. Una vez que se ha realizado la selección de antineutrinos, se observa un déficit en el número de candidatos con respecto al que se había predicho y se interpreta como una oscilación. La medida del ángulo de mezcla theta13 se realiza por medio de dos métodos. El primero, llamado Reactor Rate Modulation, se basa en la realización de un ajuste global tanto a la amplitud de oscilación como a la tasa de fondo por medio del análisis de los candidatos seleccionados para diferentes potencias de los reactores. El desarrollo de este método ha sido el segundo objetivo específico de este documento. El segundo método de análisis, llamado Rate+Shape, permite una medida del ángulo a partir de la comparación de los neutrinos observados con los esperados en caso de no oscilación, considerando para ello tanto la forma del espectro como la tasa de candidatos en función de la energía del neutrino incidente. El ajuste Rate+Shape proporciona un valor de sen2(2theta13)=0.105+/-0.014, medida de referencia en Double Chooz. El valor extraído con el ajuste del Reactor Rate Modulation es sen2(2theta13)=0.095+/-0.016, resultado competitivo y consistente dentro de 1 sigma. Para concluir, los resultados mostrados en esta tesis se corresponden con la medida más precisa de theta13 llevada a cabo por el experimento Double Chooz hasta la fecha. Se ha explotado por primera vez la configuración FD y ND, consiguiendo una gran reducción de los errores sistemáticos asociados a la predicción del flujo del reactor y a la detección de antineutrinos, gracias a la configuración geométrica del experimento y a una nueva técnica de detección.