From T2K to Hyper-Kamiokande : neutrino oscillation analysis and preparation of the time synchronization system

De T2K à Hyper-Kamiokande : analyse d’oscillation des neutrinos et préparation du système de synchronisation en temps Les neutrinos sont les particules du Modèle Standard dont les propriétés posent le plus d’interrogations non résolues. Malgré leur abondance dans l’Univers, ils sont très difficiles à détecter. Pourtant, ils semblent être une des clefs pour comprendre les questions majeures qui demeurent sur notre Univers et pour découvrir de la Physique au-delà du Modèle Standard. En particulier, la phase de Dirac de violation de la symétrie CP, qui paramétrise l’asymétrie entre neutrinos et anti-neutrinos dans le phénomène d’oscillation de saveurs, est un des paramètres les plus étudiés de nos jours. Si cette phase est non-nulle (modulo pi), cela signifierait que les neutrinos, et le secteur leptonique en général, pourraient participer à l’asymétrie matière/anti-matière de l’Univers, inexpliquée à ce jour. Le programme d’étude des oscillations de neutrinos sur longue distance du Japon offre pour l’instant la meilleure sensibilité à la mesure de violation de CP dans ce contexte. Plus précisément, l’expérience Tokai to Kamioka (T2K) quantifie la disparition de neutrinos muoniques et l’apparition de neutrinos électroniques dans un faisceau de (anti-)neutrinos muoniques de 600 MeV en moyenne, sur une distance de 295 km. Ses performances sont basées sur un ensemble de détecteurs proches à la fois sur l’axe et hors-axe du faisceau, ainsi que sur le détecteur lointain hors-axe Super-Kamiokande (SK) utilisant la détection par lumière Cherenkov dans l’eau. Même si les incertitudes de l’analyse d’oscillation des neutrinos dans T2K sont pour l’instant dominées par les erreurs statistiques, l’impact des effets systématiques gagne en importance au fur et à mesure que des nouvelles données sont collectées. Ceci est particulièrement vrai du fait que l’analyse dépend de modèles pour les sections efficaces d’interaction des neutrinos et les effets nucléaires. Prendre en compte les effets systématiques de la manière la plus complète possible est crucial pour préparer le futur de T2K et de SK: l’expérience Hyper-Kamiokande (HK). C’est dans cette direction que ce manuscrit présente une analyse d’oscillation dans T2K avec les nouvelles données du Run 11, ainsi qu’une étude détaillée de l’impact de l’utilisation d’un modèle incorrect ou incomplet pour l’estimation des sections efficaces et des effets nucléaires sur les contraintes extraites sur les paramètres d’oscillation. De plus, HK sera surtout un nouveau détecteur lointain, basé sur la même technologie que SK mais plus grand et avec de meilleures performances de détection. La prise de données doit commencer en 2027. Tout comme son prédécesseur SK, HK sera non seulement un détecteur lointain pour les expériences de neutrinos d’accélérateurs, mais aussi un observatoire pour les neutrinos de source solaire, atmosphérique, et astrophysique. Chaque élément de ce détecteur sera neuf, y compris le système de synchronisation en temps. Cette thèse porte donc également sur le développement de la génération du signal d’horloge pour un tel système reposant sur des horloges atomiques et des antennes et récepteurs GNSS, en suivant un cahier des charges prenant en compte tous les buts scientifiques de HK. Des simulations de ses performances attendues en stabilité avec une optimisation des méthodes de correction du signal sont aussi discutées dans ce manuscrit.