From Signal Modeling to Particle Identification : Development of an Energy Loss Reconstruction Algorithm for Resistive Micromegas TPCs at T2K

De la Modélisation du Signal à l'Identification des Particules : Développement d'un Algorithme de Reconstruction de la Perte d'Énergie pour les TPC à MicroMegas Résistifs dans T2K L'expérience T2K vise à expliquer l'asymétrie matière-antimatière de l'univers actuel. À cette fin, elle étudie la violation de la symétrie de charge-parité dans les oscillations des (anti)neutrinos muoniques. Le faisceau de neutrinos, produit à J-PARC, est caractérisé et contrôlé par un complexe de trois détecteurs proches, dont ND280. Un détecteur lointain, Super-Kamiokande, détecte ces neutrinos à 300 km à l'ouest, après leur oscillation durant leur parcours dans la croûte terrestre. Afin de suivre l'augmentation du nombre interactions détectées grâce au faisceau de J-PARC nouvellement amélioré, ND280 a également fait l'objet d'une mise à niveau en 2024. On lui a notamment ajouté deux HATPC (High-Angle Projection Chambers), qui identifient les particules divergeant du faisceau. Cette identification est rendue possible par la résolution spatiale des traces reconstruites et la résolution de la perte d'énergie dE/dx de la particule. Ces HATPC ont été équipées de 32 lecteurs ERAM (Encapsulated Resistive Anode bulk MicroMegas) afin d'améliorer la résolution spatiale sans augmenter le nombre de canaux, contrairement aux premières TPC de ND280 à lecteurs métalliques. Lorsque les électrons ionisés par une particule atteignent leur surface résistive, ils s'y diffusent, déclenchant plusieurs canaux l'un après l'autre, contrairement à la technologie métallique, où seul le canal sous le dépôt est déclenché. Plus de déclenchements signifie plus d'informations et donc une meilleure résolution spatiale. Pour déterminer la position de la trace, les canaux de lecture sont regroupés en clusters si la majeure partie de leur signal est causée par les mêmes dépôts. Cependant, l'estimation de dE/dx est plus gênée qu'aidée par la diffusion des charges, car l'électronique de lecture n'a pas encore fini d'intégrer l'amplitude du signal avant que les charges ne fuient vers les canaux voisins, conduisant à sa sous-estimation. Le premier algorithme dE/dx pour les HATPC a tenté de compenser cet effet en utilisant également les clusters. Dans cette thèse, il a d'abord été démontré en détail que l'algorithme dE/dx basé sur les clusters n'était pas viable pour les traces diagonales. Un modèle de réponse des HATPC a été développé pour fournir une approche alternative. Basé sur l'équation des télégraphistes pour un réseau résistance-capacité (RC), le modèle tient compte de la projection de la trace sur les ERAM, de la diffusion des électrons primaires pendant la dérive et du coefficient de diffusion sur la feuille résistive, 1/RC. Les dépôts de charge dus à la trace sont traités comme une distribution linéique homogène, rendant un seul calcul suffisant pour obtenir le signal dans un canal, contrairement aux modèles de dépôts ponctuels, et leurs centaines de calculs. Comme le modèle fournit l'amplitude du signal pour une charge déposée et une géométrie de trace données, il peut être utilisé en sens inverse : l'algorithme basé sur le modèle prend l'amplitude enregistrée par un canal et la trace ajustée en entrée, et renvoie la charge déposée. Normalisée par la longueur de la trace, elle donne l'estimation locale dE/dx. L'algorithme a été testé sur des faisceaux d'essai, des rayons cosmiques et des données de faisceaux T2K. Pour tous les ensembles de données et toutes les géométries de trace, ses performances ont été aussi bonnes, voire meilleures, que celles de l'algorithme précédent basé sur les clusters, démontrant sa robustesse et la réussite de la modélisation. La résolution dE/dx obtenue est inférieure à 8 % pour les trajectoires courtes (rayons cosmiques) et inférieure à 6 % pour les trajectoires longues (faisceau), ce qui répond à l'exigence de mise à niveau de 10 %. En outre, des travaux matériels pour la mise en service des HATPC ont été menés au CERN (configuration des déclencheurs pour les rayons cosmiques), à J-PARC (installation et surveillance de la HATPC supérieure) et à Kamioka (caractérisation des photomultiplicateurs pour Hyper-Kamiokande).