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Description du sujet de thèse

Mesure de précision des paramètres solaires de mélange de neutrinos avec le système des sPMTs de JUNO et test de l'unitarité de la matrice PMNS.

L'étude du phénomène d'oscillations des neutrinos permet l'exploration du mélange de saveurs leptoniques dans le cadre du modèle standard (MS) de la physique des particules. La phénoménologie de ces oscillations est décrite par un mélange de trois saveurs (e, mu, tau) avec la matrice PMNS (Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata). Le MS ne permet pas de prédire les paramètres de ce mélange qui doivent donc être mesurés expérimentalement. Cela a commencé avec les expériences SuperKamiokande et SNO récompensées par le prix Nobel de physique en 2015. Aujourd'hui pratiquement tous les résultats expérimentaux (malgré la persistance de certaines anomalies) s'inscrivent dans ce paradigme à trois saveurs et les paramètres sont de mieux en mieux connus même si la hiérarchie de masse (quel est le neutrino le plus léger) et la phase de violation CP (le mélange est-il le même pour les neutrinos et les anti-neutrinos) restent encore à déterminer. L'expérience JUNO va permettre d'atteindre une précision jamais atteinte et de placer sous le pourcent la mesure des paramètres dit solaires du mélange des neutrinos. Ces mesures de très grande précision vont ainsi permettre de tester l'unitarité de la matrice PMNS [1]. Toute déviation pourrait signer l'existence de nouvelle physique au-delà du MS.
L'observatoire souterrain de neutrinos de Jiangmen (JUNO), en construction en Chine, est une expérience de neutrino polyvalente visant à déterminer la hiérarchie des masses des neutrinos et à mesurer avec précision certains paramètres de la matrice PMNS. Pour assurer un contrôle précis des incertitudes systématiques du détecteur, un système de de double calorimétrie a été adopté. L'interaction des neutrinos dans la cible du détecteur (20 kilo-tonnes de scintillateur liquide) est ainsi enregistrée par deux systèmes complémentaires de PMTs, l'un composé de grands PMTs (lPMTs) de 20 pouces et l'autre de petits PMTs (sPMTs) de 3 pouces. Le premier assure une grande couverture optique de la cible et offre ainsi une excellente résolution en énergie alors que le second assure un comptage de photons et offre une excellente résolution temporelle. Une nouvelle méthodologie appelée la double calorimétrie a été conçue, utilisant une comparaison relative entre les systèmes LPMT et SPMT afin d'atteindre une non-linéarité sur l'énergie inférieure à 1% et une résolution d'énergie de 3% requise pour la détermination de l'ordre des masses des neutrinos avec JUNO.
Le sujet de thèse proposé au sein du groupe de Subatech portera sur la mesure de précision des paramètres d'oscillation solaires avec le système des sPMTs et l'étude de la principale relation d'unitarité qui leur est liée [2]. Un travail sur la reconstruction avec le système sPMTs et sur les erreurs systématiques grâce à la double calorimétrie sera également une contribution importante afin de répondre aux objectifs scientifiques d'une mesure de précision avec JUNO. Les faibles effets de matière mais non négligeables avec JUNO devront également être pris en compte dans cette étude. D'autre part, Les différentes mesures des paramètres de mélange devraient apporter une première contrainte sur la première relation d'unitarité (|Ue1 |2 + |Ue2 |2 + |Ue3 |2 = 1) de la matrice PMNS [2]. Le/la doctorant(e) devrait pouvoir compléter ses résultats avec des études de sensibilité à partir des mesures attendues.
La prise de données étant prévue pour 2023, après des premières études sur simulations GEANT4 les analyses pourront s'effectuer sur les très récentes données acquises par la collaboration JUNO. Un développement utilisant du Deep learning sera également effectué pour toutes ces analyses.
[1] Unitarity Tests of the Neutrino Mixing Matrix, Qian X. et al.. Preprint at arXiv:1308.5700
[2] Framework for testing leptonic unitarity by neutrino oscillation experiments - Fong, Chee Sheng et al. JHEP 1702 (2017) 114 arXiv:1609.08623 [hep-ph] YACHAY-PUB-16-02-PN

Contexte de travail

Le/la doctorant-e sera affecté-e au Laboratoire Subatech à Nantes dans l'équipe Neutrinos. Cette dernière possède une expertise reconnue dans le domaine de la physique des neutrinos. Le groupe participe à des expériences à courte et moyenne distance auprès des réacteurs nucléaires (SoLid, Double Chooz, JUNO), à une expérience de détection des neutrinos astrophysiques ou atmosphériques (KM3Net) et a des activités de recherche et développement pour de futurs détecteurs de neutrinos (Liquido).

Informations complémentaires

Le/la candidat-e devra être titulaire d'un master en physique des particules, nucléaire ou astroparticule.

Les connaissances requises :
- Connaissances générales en physique des particules et nucléaire
- Bon niveau de connaissances en programmation
- Connaissances approfondies en physique expérimentale.

Les savoir-faire attendus :
- Programmer en C++ et avec ROOT
- Utilisation du code de transport Geant4
- Savoir travailler en équipe sur un projet d'envergure et à l'international
- Capacité à communiquer et valoriser les travaux (présentation de travaux, participation à des congrès, participation à la rédaction d'articles, ...)
- Maîtrise de l'anglais (écrit/parlé)

Lien vers le portail d'emploi CNRS : https://emploi.cnrs.fr/Offres/Doctorant/UMR6457-FREYER-001/Default.aspx

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Description of the thesis topic

Precision measurement of solar neutrino oscillation parameters with the JUNO small PMTs system and test of the unitarity of the PMNS matrix.

The study of the neutrino oscillation phenomenon allows the exploration of the leptonic flavor mixing within the framework of the Standard Model (SM) of particle physics. The phenomenology of these oscillations derives from the mixing of three flavors (e, mu, tau), described by the PMNS matrix (Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata), and from neutrinos relative masses. The SM does not predict the value of these parameters, which must therefore be measured. It started with the SuperKamiokande and SNO experiments, after they confirmed the existence of Neutrino oscillations (Nobel Prize in Physics in 2015). Today nearly all experimental results (despite the persistence of some anomalies) fit into this three-flavor paradigm. Oscillation parameters are known at the few percents level, even if the mass hierarchy (which is the lightest neutrino?) and the CP violation phase (is the mixing the same for neutrinos and anti-neutrinos) are yet to be determined. The JUNO experiment will allow to reach an unprecedented precision and to place the measurement of the so-called solar mixing parameters below one percent. These very high precision measurements will help to test the unitarity of the PMNS matrix [1]. Any deviation could indicate the existence of new physics beyond the SM.
The Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), under construction in China, is a multipurpose neutrino experiment aiming at the determination of the neutrino mass hierarchy from vacuum oscillation and at the precise measurement of solar and atmospheric oscillation parameters. To ensure a precise control of the systematic uncertainties of the detector, a double calorimetry system has been adopted. The interaction of neutrinos in the detector target (20 kilo-tons of liquid scintillator) is thus recorded by two complementary PMT systems, one composed of large, 20-inch PMTs (LPMTs) and the other one of small, 3-inch PMTs ( sPMTs). The first ensures a large optical coverage of the target and thus offers excellent energy resolution while the second provides photon counting and offers excellent temporal resolution. A new methodology called dual calorimetry is designed: comparisons between LPMT and SPMT systems allow the energy response to be kept linear within 1 % and the energy resolution to reach the 3% required at 1 MeV for mass ordering determination with JUNO.
The proposed thesis topic within the Subatech Neutrino group will focus on the precision measurement of solar oscillation parameters with the sPMTs system and the study of the main unitarity relation related to them [2]. A work on the reconstruction with the sPMTs system and on the systematic errors thanks to the double calorimetry will also be an important contribution in order to meet the scientific objectives of a precision measurement with JUNO. The small but not negligible matter effects with JUNO will also have to be taken into account in this study. The different measurements of the mixing parameters will also provide an improved constraint on the first unitarity relation (|Ue1 |2 + |Ue2 |2 + |Ue3 |2 = 1) of the PMNS matrix [2]. The PhD student should be able to complement her/his results with studies on the sensitivities of future measurements. The data collection being planned to start in 2022, after the first studies on GEANT4 simulations, the analyses will be carried out on the very first dataset acquired by the JUNO collaboration. For all these analyses, Machine Learning methods will be developed, to complement or surpass classical approaches.
The Neutrino group at Subatech has a recognized expertise in the field of neutrino physics. The group participates in short and medium range experiments at nuclear reactors (SoLid, Double Chooz, JUNO), in an experiment for the detection of astrophysical or atmospheric neutrinos (KM3Net) and also carries out research and development activities for future neutrino detectors (Liquido).
[1] Unitarity Tests of the Neutrino Mixing Matrix, Qian X. et al.. Preprint at arXiv:1308.5700
[2] Framework for testing leptonic unitarity by neutrino oscillation experiments - Fong, Chee Sheng et al. JHEP 1702 (2017) 114 arXiv:1609.08623 [hep-ph] YACHAY-PUB-16-02-PN

Work Context

Subatech laboratory in Nantes in the Neutrinos team. It has a recognized expertise in the field of neutrino physics. The group participates in short and medium range experiments at nuclear reactors (SoLid, Double Chooz, JUNO), in an experiment for the detection of astrophysical or atmospheric neutrinos (KM3Net) and has research and development activities for future neutrino detectors (Liquido)

Additional Information

The candidate must hold a master's degree in particle, nuclear or astroparticle physics.

Required knowledge :
- general knowledge in particle and nuclear physics
- good knowledge in programming
- in-depth knowledge in experimental physics.

Expected skills:
- Programming in C++ and with ROOT
- Use of the Geant4 transport code
- know how to work in a team on a large-scale project and internationally
- Ability to communicate and valorize work (presentation of work, participation in conferences, participation in the writing of articles, ...)
- fluency in English (written/spoken)

Link to job offers CNRS : https://emploi.cnrs.fr/Offres/Doctorant/UMR6457-FREYER-001/Default.aspx