Characterization, Modelization and Optimization of the Double Chooz acrylic vessels

207 Pages·2010·9.37 MB·English

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UNIVERSITE PARIS.DIDEROT (Paris 7)
ECOLE DOCTORALE : Particules, Noyaux et Cosmos - ED517
THESE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITE PARIS VII
SpØcialitØ: Physique des Particules
prØsentØe par
Rachel QUEVAL
pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE PARIS VII
Characterization, Modelization and Optimization
of the Double Chooz acrylic vessels:
Physics Impact
ThŁse dirigØe par Thierry LASSERRE
soutenue le 16 septembre 2010
JURY
M. Thomas PATZAK, PrØsident
M. Thierry LASSERRE, directeur de thŁse
M. Clarence VIRTUE, Rapporteur
M. Fabrice PIQUEMAL, Rapporteur
Mme. Florence ARDELLIER-DESAGES, examinateur
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Remerciements
C’est un plaisir de (cid:28)nir cette thŁse par les remerciements, pour exprimer tout ce qu’on pense
et qu’on ne dit jamais. Je m’excuse par avance envers ceux que je vais oublier, je pense (cid:224) eux
tout de mŒme.
Je tiens tout d’abord (cid:224) remercier Ursula Bassler, de m’avoir accueillie au Service de Physique
des Particules du CEA Saclay, en tant que chef de service.
Je remercie Øgalement Fabrice Piquemal et Clarence Virtue d’avoir acceptØ d’Œtre les rappor-
teursdemathŁse, avecletravailsupplØmentairequecelaleurademandØ, ainsiquedeparticiper
au jury. Je remercie Øgalement Thomas Patzak, qui m’a fait l’honneur d’Œtre mon prØsident de
jury, ainsi que Florence Ardellier-Desages, qui en plus de participer (cid:224) mon jury de soutenance,
a ØtØ pendant la premiŁre partie de ma thŁse notre coordinatrice technique sur Double Chooz
et qui m’a toujours prodiguØ de bons conseils.
Plus particuliŁrement, j’exprime ma reconnaissance envers Thierry Lasserre, mon directeur de
thŁse. Il a su m’orienter, me motiver et me stimuler dans mon travail, tout en me laissant
la latitude nØcessaire pour mener (cid:224) bien mes projets de recherche. Ce qu’il faut comprendre
dans cette phrase, c’est que le cadre qu’il a donnØ (cid:224) ma thŁse dŁs le dØbut m’a permis ensuite
d’Øvoluer librement dans mes choix; ses conseils et remarques au cours de ces trois ans m’ont
fait progresser et me structurer dans mon travail. Et mŒme quand j’Øtais un peu trop tŒtue
(et oui, je le reconnais, cela peut m’arriver), ou que nous n’Øtions pas d’accord, il a su insister
quand il fallait et me laisser libre quand j’en avais besoin. Sans ses relectures, ce manuscrit
serait certainement beaucoup moins clair... Thierry, merci pour ces trois ans.
Guillaume, Maximilien, vous aussi vous Œtes investis dans mon travail et mon apprentissage.
Mes problŁmes de code, de statistiques et autres, vous les rØsolviez comme par magie! Guil-
laume, tu as apportØ (cid:224) ce manuscrit et dans mon esprit une grande clartØ notamment sur la
thØorie des neutrinos, et Maximilien, tu es aussi beaucoup pour la qualitØ de l’anglais. Egale-
ment, vous avez supportØ mes coups de fatigue, d’Ønervement, d’euphorie aussi, et dans cette
ambiance de travail, vous avez su m’apporter des moments de dØtente et de franche rigolade,
osons le dire! Je pense notamment (cid:224) notre ami Germanium...
Michel, je t’envoie toute mon amitiØ, tu as donnØ (cid:224) ma thŁse des moments inoubliables. Merci
pour tous tes conseils, il sont prØcieux.
Vincent, notre nouveau petit thØsard, j’espŁre que j’ai pu te montrer tout ce que je savais avant
de partir! Merci d’avoir ØtØ l(cid:224) quand il fallait.
Thomas et Tarek, c’est avec une certaine nostalgie que je veux parler de nos trois thŁses que
nous avons commencØes et que nous avons partagØes ensemble. C’Øtait vraiment un bonheur
3
4
de vous avoir eu comme compagnons de route; nous avons dØcouvert ensemble un monde
qu’on ne connaissait pas vraiment, nous avons appris ensemble (cid:224) y Øvoluer et je suis (cid:28)Łre d’y
avoir trouvØ des amis. Thomas, nous avons ØtØ plus proches, d’abord de par notre situation
gØographique commune. S’est ensuite dØveloppØe une belle amitiØ, autour de chi(cid:27)ons ISO4, de
nettoyages d’Øcha(cid:27)audages immondes, de remplissages de gros tanks laborieux, d’escapades en
shift d’intØgration (cid:224) Chooz... Merci (cid:224) toi. Le groupe des thØsards fran(cid:231)ais va me manquer.
Je voudrais aussi remercier tout le groupe des ingØnieurs et techniciens de Double Chooz de
Saclay. Loris et Je(cid:27), c’est un plaisir de vous rendre visite au 123 oø les bons mots fusent (cid:224)
une rapiditØ impressionnante, Fran(cid:231)ois et ses fameux nains, Patrick, sans qui les voyages (cid:224)
Chooz ne seraient pas ce qu’ils sont, Pierre et Serge, toujours prŒts (cid:224) nous sauver de situations
compliquØes, comme fabriquer une tente propre (cid:224) l’ALS en moins d’une aprŁs-midi, Claude,
qui arrive toujours (cid:224) trouver le matØriel dont on a besoin mŒme quand on pense que c’est
impossible.
Merci aussi (cid:224) l’agora: Philippe B, Dominique, Michel, Philippe G, Jean-Marc, vous avez tou-
jours rØussi (cid:224) passer toutes mes commandes mŒme avec les dØlais impossibles que je demandais!
Et Øvidemment, merci pour Agorette, que j’emporterai avec moi...
Merciaussi(cid:224)tousmescopainsdediscussion/cafØ/cigarette,Emilie,Pierremonparrain,Nathalie
mamarrainedecoeur, Andrea, Jessica, Michelaquejenevoispasassezsouvent, Gilles, Niccolo,
Claire, Eric, Jonathan et tous les autres.
Je tiens (cid:224) remercier toute la collaboration Double Chooz en gØnØral, cela a ØtØ un plaisir de
travailler avec vous. J’ai une pensØe spØciale pour David et Alain au SPhN, je tiens (cid:224) vous
exprimer toute ma sympathie.
En(cid:28)n, je voudrais remercier mes parents, qui m’ont permis de rØaliser tout ce que je voulais
entreprendre, qui m’ont apportØ soutien et rØconfort. Je ne vois rien de plus signi(cid:28)catif (cid:224)
dire que: je vous aime. Philippe, tu partages ma vie depuis quatre ans maintenant, et tu as
supportØ la (cid:28)n de thŁse avec brio, malgrØ tous les moments di(cid:30)ciles. Merci du plus profond de
mon coeur, et j’ai h(cid:226)te de commencer une nouvelle phase de notre vie (cid:224) deux.
Je termine par une pensØe pour Dario...
Contents
1 The Neutrino 13
1.1 Neutrinos and the Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.1 A little bit of history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1.2 The electroweak interaction and particles masses . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2 Neutrinos beyond the Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.1 Neutrino oscillation consequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.2 Neutrino masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.3 Neutrino oscillations formalism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2.4 Neutrino oscillations and (cid:29)avor conversions in matter . . . . . . . . . . . 26
1.3 Phenomenological landscape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3.1 Direct measurement of the neutrino mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3.2 Solar neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.3.3 Atmospheric neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.3.4 Accelerator neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.3.5 Reactor neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.3.6 Flavor transition analysis summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5
6 CONTENTS
θ
2 13 or the last unknown mixing angle 39
θ
2.1 What we know about 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.1.1 From reactor experiments: the limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.1.2 From neutrino beams: a con(cid:28)rmation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
θ
2.2 The upcoming search for 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2.1 Reactor neutrino experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2.2 Neutrino beam experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.2.3 Complementarity of reactor and superbeam experiments . . . . . . . . . 59
3 Double Chooz: Site and detectors 61
3.1 Nuclear reactors and antineutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1.1 Nuclear power plant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1.2 Fission reactions and neutrino productions . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2 Double Chooz: site and detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.1 Experimental site . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.2 A new detector design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2.3 Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4 Target and Gamma Catcher acrylic vessels 77
4.1 Physics speci(cid:28)cations for the Double Chooz detector . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1.1 The Target volume: proton container and neutron capture . . . . . . . . 77
4.1.2 The Gamma Catcher volume: positron energy detection . . . . . . . . . . 78
4.1.3 Acrylic vessels mechanical structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.1.4 Cylindrical design of the detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.1.5 Design optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.1.6 Chimneys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
CONTENTS 7
4.1.7 Material radiopurity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.2 Acrylic vessels mechanical description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.1 Acrylic vessels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.2 Mechanical constraints: analytical check . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2.3 Mechanical constraints: Finite Element Method . . . . . . . . . . . . . . 86
4.2.4 Technical characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5 Material choice: GS0Z18 creation 97
5.1 Existing materials: GS233 & GS2458 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.1.1 Optical model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.1.2 Optical transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.1.3 Acrylic (cid:29)uorescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.1.4 Not the best materials for the experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.2 New acrylic material developed by CEA Saclay and Degussa . . . . . . . . . . . 111
5.2.1 GS233 without UV shifter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.2.2 First production: test batch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.2.3 GS0Z18 weakness to UV light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.2.4 Material acceptance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.3 Final material production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.3.1 Implementation in Double Chooz simulation . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.3.2 GSOZ18 production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6 Physics and mechanics: design optimization 117
6.1 Antineutrino interactions in acrylics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.2 Simulation: design optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.2.1 Systematical errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.2.2 Spectral analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.2.3 Positron study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.2.4 Neutrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.2.5 Spectral distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
8 CONTENTS
7 Radiopurity and background 135
7.1 Accidental background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.1.1 Brief introduction on singles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.1.2 Neutrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
7.1.3 Accidental background rate expected and detector radiopurity constraints 136
7.2 Constraints on the acrylic vessels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.2.1 Main critical isotopes: Uranium, Thorium and Potassium . . . . . . . . . 137
7.2.2 Acrylic vessels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
7.3 Focus on Target and Gamma Catcher vessels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
7.3.1 GS0Z18 acrylic material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
7.3.2 Other elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.4 Impact: singles rate and spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.4.1 Singles rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.4.2 Singles spectral shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.4.3 Towards accidental background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.4.4 Conclusion: towards data analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
8 Cleanliness 155
8.1 Cleanliness in the lab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
8.1.1 Why is cleanliness important? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
8.1.2 Site cleanliness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
8.1.3 Cleanliness plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
8.1.4 Clean room calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
8.1.5 Personal contribution to the cleanliness working group . . . . . . . . . . 165
8.1.6 Integration from the cleanliness point of view . . . . . . . . . . . . . . . 166
8.2 Cleanliness and the acrylic vessels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
8.2.1 Cleanliness during construction and production . . . . . . . . . . . . . . 172
8.2.2 Cleanliness during integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
8.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
CONTENTS 9
9 Near and Far Targets similitude 181
9.1 Two identical Targets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
9.2 Targets construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
9.2.1 Same material and construction methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
9.2.2 Target vessels similarity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
9.3 Target volume proton number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
9.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
10 Acrylic vessels fabrication and integration 191
10.1 Vessels fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
10.1.1 Target, Gamma Catcher and chimneys construction and transportation. . 191
10.1.2 Annealing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
10.1.3 Leakage tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
10.1.4 Stress check . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
10.2 Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
10.2.1 How it happened . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
10.2.2 My role during integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
10.2.3 Humidity in the laboratory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
10.2.4 Systems in the vessels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
10.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
10 CONTENTS