Studies for the measurement of the mixing angle $\theta_{13}$ with the Double Chooz experiment
Etudes pour la mesure de l'angle $\theta_{13}$ avec l'expérience Double-Chooz
Résumé
Double Chooz (DC) is an experiment looking at oscillations of electron antineutrinos produced in the Chooz nuclear power plant (France). It aims to measure the $\theta_{13}$ mixing angle, which was, until
November 2011, the last non-known mixing angle. The experiment consists in two identical detectors, the FAR detector, running since April 2011 and the NEAR detector, running since December 2014, respectively
at $\sim1$ km and $\sim400$ m from the reactor cores. DC performs a rate+shape analysis to extract $\theta_{13}$ from the energy spectrum distortion and the deficit due to neutrino disappearance. The NEAR
detector measures the neutrino flux and spectrum before oscillations, allowing to normalize the ones after oscillation measured with the FAR detector.
In order to provide a precise measurement of $\theta_{13}$, DC needs to control accurately the detector response and the different backgrounds, getting associated systematics as low as possible. This
thesis presents the Double Chooz experiment, as well as its analysis and its results, with a specific concern about some systematics reductions. The energy calibration of the detector is detailed,
this calibration allows to ensure the mandatory uniformity and stability of the detector response. The background rejection and its measurement are also detailed, with a particular focus on the
correlated background. A new rejection method is presented for the correlated background (Gd and H analysis) and for the accidental background (H analysis). Finally, a new calorimetry method is described,
taking advantage of the good knowledge of the DC electronics, which improves the photoelectron reconstruction from the photomultipliers signal.
Double Chooz (DC) est une expérience s'intéressant aux oscillations des antineutrinos électroniques produis par la centrale nucléaire de Chooz (France). L'objectif de cette expérience est
de mesurer l'angle de mélange $\theta_{13}$, dont la valeur n'était pas connue jusqu'à novembre 2011. L'expérience dispose de deux détecteurs identiques : un lointain, fonctionnant depuis
avril 2011, et un proche, fonctionnant depuis décembre 2014, à $\sim1$ km et $\sim400$ m des c\oe{}urs de réacteur, respectivement. DC mesure $\theta_{13}$ en effectuant une analyse en rate+shape
sur la distorsion du spectre en énergie et sur le déficit dû à la disparition des neutrinos. Le détecteur proche mesure le flux de neutrino et leur spectre en énergie avant oscillations,
ce qui permet de normaliser ceux mesurés après oscillations par le détecteur lointain.
Afin d'obtenir une mesure précise de $\theta_{13}$, DC doit avoir une erreur systématique aussi basse que possible. Cette thèse présente l'expérience Double Chooz, ainsi que son analyse
et ses résultats. Une attention particulière a été apporté à la réduction de certaines systématiques. La calibration en énergie du détecteur est détaillé,
celle-ci permettant d'avoir une réponse du détecteur uniforme et stable. La réjection et la mesure du bruit de fond sont aussi exposées, particulièrement celles du bruit de fond corrélé.
Une nouvelle méthode de réjection est présentée pour les bruits de fond corrélé (analyses Gd et H) et accidentel (analyse H). Enfin, une nouvelle méthode de calorimétrie est décrite,
utilisant l'expérience acquise sur l'électronique utilisé, elle permet d'améliorer la reconstruction des photoelectrons dans le signal des photomultiplicateurs.