Measurement of the atmospheric muon neutrino flux with the KM3NeT/ORCA6 detector

Abstract

Atmospheric neutrinos originate from Cosmic Rays, the origin of which is an open question. They are produced in the Cosmic Ray interactions with nuclei in the atmosphere, with the properties of the specific hadronic decay channels to be loosely constrained. The lower part of their energy range is suitable to study neutrino oscillations, and to test several extensions of the Standard Model. Finally, the study of neutrinos from astrophysical sources largely profits from constraining the atmospheric neutrino flux.Despite the plethora of research topics related with atmospheric neutrinos, there is limited experimental information on their flux below the energy of 100 GeV. The aim of this work is to demonstrate that KM3NeT/ORCA is able to performa measurement of the atmospheric neutrino flux even with a preliminary detector configuration, providing the only existing up-to-date measurement of atmospheric ν µ + ν̄ µ flux after Super-Kamiokande. This thesis consists of three parts. In the first part, in Chapter 1 a brief reference on the basic concepts of neutrino physics is performed, while in Chapter 2 the flux of atmospheric neutrinos is described. In the second part, the ARCA and ORCA detectors of KM3NeT are introduced in Chapter 3, along with a description of the main detector components, the detection principle and calibration procedures. In Chapter 4, the algorithms used to simulate KM3NeT/ORCA data aredescribed, along with the detector triggers and their simulation, as well as the main event reconstruction algorithms.The part of the analysis consists of four Chapters. In Chapter 5, a neutrino event selection with high-purity is obtained from data collected with the KM3NeT/ORCA6 configuration. An overview of the ORCA6 detector configuration, of the data collected, as well as on the event simulation is given. After a description of the event preselection criteria, the final event classification, obtained using a Machine Learning Boosted Decision Tree (BDT) algorithm, is presented. A short overview of characteristic distributions of selected events is given.In Chapter 6, the ν µ + ν̄ µ CC energy spectrum is obtained from the selected events, exploiting an unfolding procedure. The unfolding procedure that was followed is outlined, based on the algorithm adopted for this measurement. Information on the unfolding scheme features such as the choice of the binning, and the checks to ensure the reliability of the procedure, are presented. The resultsof the unfolding of the ν µ + ν̄ µ CC energy spectrum from data are shown, and the choice of the regularization strength is discussed in detail. Finally, the unfolded energy spectrum is presented converted into ν µ + ν̄ µ flux.In Chapter 7, the studies to evaluate the impact of systematic uncertainties on the measurement are presented. The uncertainties introduced by the limited knowledge of the neutrino oscillation parameters are estimated. Uncertainties related with the detector response have been accounted for by modifying the efficiency of the photomultiplier tubes, and the light absorption length in seawater. Moreover, uncertainties on the production of mesons within the air showers are considered. Additionally, uncertainties on the neutrino cross-section, and onthe systematic impact the unfolding procedure has on the measurement, are also estimated. Finally, the effect of using a fast parametrised light simulation algorithm is addressed.In Chapter 8, the final results of the atmospheric ν µ + ν̄ µ flux are presented, followed by a discussion. The resulting flux is compared with the simulated model flux and the only existing measurement by Super-Kamiokande. A number of potential future steps are also suggested.

Η ϱοή των ατµοσφαιρικών νετϱίνων σχετίζεται µε διάφορους τοµείς της σύγχϱονης έρευνας. Τα ατµοσφαιρικά νετϱίνα προέρχονται από τις κοσµικές ακτίνες, η πϱοέλευση των οποίων αποτελεί ανοιχτό εϱώτηµα. Παράγονται στις αλληλεπιδράσεις των κοσµικών ακτίνων µε τους πυϱήνες στην ατµόσφαιρα, µε τις ιδιότητες των αδϱονικών καναλιών διάσπασης να χρήζουν πεϱαιτέϱω πειραµατικής πληροφορίας. Το χαµηλότερο µέϱος του ενεργειακού τους εύϱους τους είναι κατάλληλο για τη µελέτη των ταλαντώσεων των νετϱίνων, και για να ελεγχϑούν διάφορες ϑεωρίες επέκτασης του Καθιερωµένου Προτύπου. Τέλος, ο ακϱιϐής προσδιορισµός της ϱοής των ατµοσϕαιρικών νετϱίνων, είναι εξαιρετικά σηµαντικός για τη µελέτη νετϱίνων από αστροϕυσικές πηγές και τη διεϱεύνηση ανεξερεύνητων ϕαινοµένων του σύµπαντος.Παϱά την πληθώρα των ερευνητικών ϑεµάτων που σχετίζονται µε τα ατµοσφαιρικά νετϱίνα, υπάρχει περιορισµένη πειραµατική πληροφορία για τη ϱοή τους για ενέϱγειες µικϱότεϱες από 100 GeV. Σκοπός αυτής της εργασίας είναι να αποδείξει ότι ο ανιχνευτής KM3NeT/ORCA είναι σε ϑέση να πραγµατοποιήσει µέτϱηση της ϱοής των ατµοσφαιρικών νετϱίνων ακόµη και στα πϱώτα στάδια της κατασκευής του, παρέχον-τας τη µόνη υπάρχουσα σύγχϱονη µέτϱηση της ϱοής των ατµοσφαιρικών ν µ + ν̄ µ µετά το Super-Kamiokande.Αυτή η διατϱιϐή αποτελείται από τϱία µέϱη. Στο πϱώτο µέϱος, το Κεϕάλαιο 1 πεϱιλαµϐάνει µια σύντοµη αναϕοϱά στις ϐασικές έννοιες της ϕυσικής των νετϱίνων, ενώ στο Κεϕάλαιο 2 πεϱιγϱάϕεται η ϱοή των ατµοσϕαιϱικών νετϱίνων. Στο δεύτεϱο µέϱος, οι ανιχνευτές ARCA και ORCA του KM3NeT εισάγονται στο Κεϕάλαιο 3, µαζί µε µια πεϱιγϱαϕή των κύϱιων στοιχείων του ανιχνευτή, της αϱχής ανίχνευσης καιτων διαδικασιών ϐαϑµονόµησης. Στο Κεϕάλαιο 4, πεϱιγϱάϕονται οι αλγόϱιϑµοι που χϱησιµοποιούνται για τη πϱοσοµοίωση των δεδοµένων του KM3NeT/ORCA, µαζί µε τις συνϑήκες σκανδαλισµού (trigger) του ανιχνευτή και την πϱοσοµοίωσή τους,καϑώς και οι κύϱιοι αλγόϱιϑµοι ανακατασκευής γεγονότων.Το µέϱος της ανάλυσης αποτελείται από τέσσεϱα κεφάλαια. Στο Κεφάλαιο 5, επιτυγχάνεται µια επιλογή γεγονότων νετϱίνων υψηλής καθαρότητας από τα δεδοµένα που συλλέγονται µε την ανιχνευτική διάταξη KM3NeT/ORCA6. Περιγράφεται ο ανιχνευτής ORCA6, τα δεδοµένων που συλλέχθηκαν, καθώς και η προσοµοίωση των γεγονότων. Μετά από µια περιγραφή των κϱιτηϱίων προεπιλογής των γεγονότων, παρουσιάζεται η τελική ταξινόµηση τους, η οποία επιτυγχάνεται χρησιµοποιώντας έναν αλγόριθµο Μηχανικής Μάϑησης Boosted Decision Tree (BDT). Ακόµη παρέχονται χαρακτηριστικές κατανοµές των επιλεχθέντων γεγονότων.Στο Κεφάλαιο 6, αναλύεται η εξαγωγή του ενεργειακού ϕάσµατος των ν µ + ν̄ µ CC από την ενεργειακή κατανοµή των επιλεχθέντων γεγονότων, µε τη χϱήση µεθόδου αποσυνέλιξης unfolding. Περιγράφεται η διαδικασία unfolding που ακολουθήθηκε,ϐασισµένη στον αλγόριθµο που υιοθετήθηκε για αυτή τη µέτϱηση. Παρουσιάζονται οι πληροφορίες για τα χαρακτηριστικά του σχήµατος unfolding όπως η επιλογή του binning, και οι έλεγχοι για την εξασφάλιση της αξιοπιστίας της διαδικασίας.Παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα της διαδικασίας unfolding του ενεργειακού ϕάσµατος των ν µ + ν̄ µ CC από τα δεδοµένα, και εξηγείται η επιλογή του regularization. Τέλος, το εξαχθέν ενεργειακό ϕάσµα των ν µ + ν̄ µ παρουσιάζεται έχοντας µετατραπείσε µονάδες ϱοής.Στο Κεφάλαιο 7, παρουσιάζονται οι µελέτες για την εκτίµηση της επίδρασης των συστηµατικών αϐεϐαιοτήτων στη µέτϱηση. Εκτιµώνται οι αϐεϐαιότητες που εισάγονται από την περιορισµένη γνώση των παϱαµέτϱων ταλάντωσης των νετϱίνων. Οι αϐεϐαιότητες που σχετίζονται µε την απόκριση του ανιχνευτή έχουν ληφθεί υπόψη µε την τϱοποποίηση της απόδοσης των ϕωτοπολλαπλασιαστών και του µήκους απορρόφησης του ϕωτός στο ϑαλασσινό νεϱό. Επιπλέον, λαµβάνονται υπόψη οι αϐεϐαιότητες στην παραγωγή µεσονίων στις αλληλεπιδράσεις πυϱήνων και κοσµικών ακτίνων στην ατµόσφαιρα. Επιπλέον, εκτιµώνται οι αϐεϐαιότητες στην ενεργό διατοµή των νετϱίνων και στην συστηµατική επίδραση που έχει η διαδικασία unfolding στη µέτϱηση.Τέλος, εξετάζεται η επίδραση της χϱήσης ενός ταχύτατου παραµετροποιηµένου αλγορίθµου προσοµοίωσης της διάδοσης του ϕωτός στοϑαλασσινό νεϱό.Στο Κεφάλαιο 8, παρουσιάζονται τα τελικά αποτελέσµατα της ϱοής των ατµοσϕαιρικών ν µ + ν̄ µ . Πραγµατοποιείται µια συϹήτηση των αποτελεσµάτων καθώς και σύγκριση µε το προσοµοιωµένο µοντέλο ϱοής και τη µόνη υπάρχουσα µέτϱηση από το Super-Kamiokande. Ακόµη συστήνονται µεϱικά εν δυνάµει µελλοντικά ϐήµατα σε σχέση µε αυτή τη µέτϱηση.