Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), Faisceau, Design double phase, Reconstruction de trajectoire, Electron, Proton

Cette thèse s'inscrit dans la phase de R&D de l'expérience DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment). DUNE est une expérience à grande ligne de base étudiant le phénomène d'oscillation des neutrinos. Un faisceau de neutrinos muoniques sera crée au Fermilab, à Chicago aux États-Unis, et dirigé pour traverser un détecteur proche et un détecteur lointain de l'origine du faisceau utilisant tout deux la technologie de détection de la "Chambre à projection temporelle" avec de l'argon comme matériau cible. Le détecteur lointain sera situé à 1300km de la source dans la mine de Sanford dans le Dakota du Sud. L'objectif principale de DUNE est d'étudier les effets du phénomène d'oscillation des neutrinos sur la composition du faisceau entre les détecteurs proche et lointain. Deux prototypes, nommés ProtoDUNEs, du détecteur lointain ont été construits au CERN en 2018. Les prototypes ont été conçus autour de deux designs appelés Single-Phase (Phase-Simple) and Dual-Phase (Phase-Double). Le premier contient de l'argon uniquement sous forme liquide tandis que le second est doté d'une mince couche d'argon gazeux en haut du détecteur. Ce travail de thèse a pour objet d'étude le design Dual-Phase. Il est organisé en 4 chapitres. Le premier chapitre est composé d'une présentation de l'histoire des neutrinos de la fin du 19ème siècle jusqu'à l'état actuel des recherches, ainsi que celle de l'expérience DUNE dans son ensemble avec un focus particulier sur le design Dual-Phase et son ProtoDUNE dédié. Le second chapitre introduit l'environnement informatique, appelé LArSoft (Liquid-Argon Software), dans lesquels s'inscrivent tous les développements et analyses effectués lors cette thèse. LArSoft est le logiciel utilisé par les expériences de neutrinos (comme ArgoNeut ou MicroBOONE) utilisant de l'argon liquide comme matériau cible. C'est dans LArSoft que s'effectuent la simulation des particules et des détecteurs ainsi que la reconstruction complète des évènements se produisant dans le détecteur en commençant par la reconstruction du signal de charge, puis des trajectoires, puis du type et de l'énergie des particules et enfin de la nature de l'interaction. Un autre environnement, appelé Pandora, est également présenté dans ce chapitre en tant que logiciel de reconstruction de trajectoire. Pandora est un logiciel utilisant une approche multi-algorithmique ayant pour but de reconstruire les trajectoires de particules chargées, telles que des muons ou des protons, interagissant dans le détecteur. C'est dans Pandora que la majeure partie des améliorations réalisées durant cette thèse ont été effectués. Le troisième chapitre présente les travaux de développements améliorant la qualité de la reconstruction d'évènement. Tout d'abord avec un changement d'algorithme de reconstruction de signal de charge puis avec la création d'un algorithme de reconstruction 3D utilisant pour la première fois dans DUNE l'information de la charge. Ce nouvel algorithme est présenté en détails ainsi que sa procédure de validation. Une étude comparative des performances de Pandora avec et sans cet algorithme est inclue ainsi que son application sur les données de ProtonDUNE Dual-Phase. Le quatrième chapitre est un état de l'art des performances de la reconstruction d'évènements neutrino dans un détecteur de type Dual-Phase. Y sont présentés les performances selon l'état final de l'interaction entre le neutrino et l'atome d'argon : 1 muon et 1 proton; 1 muon, 1proton et 1 pion; 1 électron et 1 proton. Pour chaque état final d'interaction la présentation des performances est accompagnée d'un discussion sur les différentes sources d'inefficacité. Un récapitulatif est présent en fin de chapitre comparant les résultats et le rôle de chaque source d'inefficacité selon le type de particule et d'interaction.