Montréal Trigonix inc. 2018

L’observation de la double désintégration bêta sans neutrinos (0ν2β) impliquerait la violation de la conservation du numéro leptonique, signe d’une nouvelle physique au-delà du Modèle Standard, et permettrait d’établir la nature de Majorana des neutrinos. Les bolomètres scintillants cryogéniques sont parmi les détecteurs les plus prometteurs pour rechercher ce processus nucléaire extrêmement rare dans des noyaux qui sont théoriquement entre les plus favorables.Des scintillateurs de ZnMoO₄ ayant une masse de ∼ 0.3 kg, ainsi que des cristaux de Zn¹⁰⁰ MoO₄ enrichi dans l’isotope ¹⁰⁰Mo, ont été produits pour la première fois en utilisant la technique de Czochralski à faible gradient thermique. Les propriétés optiques et de luminescence des cristaux produits ont été étudiées pour évaluer le progrès de la qualité de la croissance des cristaux. Des tests à basse température avec un scintillateur de 313 g de ZnMoO₄et deux scintillateurs de Zn¹⁰⁰ MoO₄ enrichis ont été réalisées en surface au Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière. On a aussi mené des mesures à faible fond radioactif avec trois cristaux de ZnMoO₄ naturels et deux détecteurs enrichis, installés dans le setup d’ EDELWEISS au Laboratoire Souterrain de Modane.Pour optimiser la collecte de la lumière dans des bolomètres scintillants cryogénique de ZnMoO₄, nous avons simulé par une méthode Monte Carlo la collecte des photons de scintillation dans un module de détection pour différentes géométries, en utilisant le logiciel GEANT4. La réponse à la désintégration 2ν2β de ¹⁰⁰Mo a été simulée pour des détecteurs enrichis de Zn¹⁰⁰ MoO₄ avec forme et masse différente, avec le but de comprendre la structure des spectres 2ν2β en fonctionne de la forme des cristaux. Nous avons simulé aussi la performance de 48 cristaux de Zn¹⁰⁰ MoO₄ ayant une taille de Ø60 × 40 mm et installés dans le cryostat d’EDELWEISS. La contribution au fond de la contamination radioactive interne des cristaux, l’activation cosmogénique et la contamination radioactive du setup ont été simulées.Tenant compte de la modeste résolution temporelle des bolomètres à basse température, nous avons également étudié la contribution au fond à l'énergie Q₂β déterminé par des coïncidences aléatoires de signaux, en particulier du à la décroissance 2ν2β, qui est l'une des sources de fond les plus dangereuses dans les bolomètres cryogéniques. Des méthodes pour le rejet d’événements coïncidant par hasard ont été développées et comparées. Nous avons également analysé la dépendance de l'efficacité de rejet à l’égard des performances du détecteur cryogénique. / Observation of neutrinoless double beta (0ν2β) decay would imply the violation of lepton number conservation and definitely new physics beyond the Standard Model, establishing the Majorana nature of neutrinos. Cryogenic scintillating bolometers look the most promising detectors to search for this extremely rare nuclear process in a few theoretically the most favorable nuclei.ZnMoO₄ scintillators with a mass of ∼ 0.3 kg, as well as Zn¹⁰⁰ MoO₄ crystals enriched in the isotope ¹⁰⁰Mo were produced for the first time by using the low-thermal-gradient Czochralski technique. The optical and luminescent properties of the produced crystals were studied to estimate the progress in crystal growth quality. The low-temperature tests with a 313 g ZnMoO₄ scintillator and two enriched Zn¹⁰⁰ MoO₄ were performed aboveground in the Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière. The low background measurements with a three ZnMoO₄ and two enriched detectors installed in the EDELWEISS set-up at the Laboratoire Souterrain de Modane were carried out.To optimize the light collection in ZnMoO₄ cryogenic scintillating bolometers, we have simulated the collection of scintillation photons in a detector module for different geometries by Monte Carlo method using the GEANT4 package. Response to the 2ν2β decay of ¹⁰⁰Mo was simulated for the enriched Zn¹⁰⁰ MoO₄ detectors of different shape and mass to understand the dependence of 2ν2β decay spectra on crystal shape. We have simulated 48 Zn¹⁰⁰ MoO₄ crystals with a size of Ø60 × 40 mm installed in the EDELWEISS cryostat. The contribution to background from the internal radioactive contamination of the crystals, cosmogenic activation and radioactive contamination of the set-up were simulated.Taking into account the poor time resolution of the low temperature bolometers, we also studied contribution to background at the Q₂β energy of random coincidences of signals, in particular of 2ν2β decay, which is one of the most valuable sources of background in cryogenic bolometers. Methods of the randomly coinciding events rejection were developed and compared. We have also analyzed dependence of the rejection efficiency on a cryogenic detector performance.

Cette thèse comporte une analyse des données de l'expérience NEMO3 et l'étude d'un détecteur BiPo. NEMO3 recherche un signal de double désintégration bêta 2beta0nu par détection directe des 2 électrons émis, avec un trajectographe couplé à un calorimètre. J'ai étudié complètement le bruit de fond, et fourni la mesure la plus précise de la période du processus avec émission de deux électrons et deux neutrinos 2beta2nu du 130Te : T1/2(2nu) = 6,1±1,2(stat)±0,4(syst) 10^20 ans. Ce résultat contraint aussi les calculs théoriques sur la masse effective du neutrino m_betabeta du 130Te : T1/2(0nu) >5,0 10^22 ans et m_betabeta < 1,5–5,3 eV. SuperNEMO est un projet à 100 kg d'émetteurs betabeta, pour mesurer T1/2(0nu) >10^26 ans, et qui reprend le principe de détection de NEMO3 en augmentant l'efficacité et la radiopureté du détecteur, en améliorant la résolution en énergie et en réduisant le bruit de fond. Ce dernier sera finalement dû aux contaminations radioactives naturelles internes aux sources, et les exigences de radiopureté sont élevées (A(208Tl)<2 microBq/kg) et au-dessous des limites de sensibilité actuelles. La collaboration étudie un détecteur BiPo pour la mesure du 208Tl, par identification de la cascade 212Bi→212Po→208Pb. La source à mesurer est déposée entre deux plans de scintillateurs donnant les énergies et les temps. J'ai mené l'étude du prototype BiPo1, démontré la faisabilité technique, validé le principe, et déterminé la sensibilité de mesure de sources par rapport au bruit de fond. L'analyse des données de BiPo1 permet d'envisager la mesure de 5 microBq/kg en 208Tl avec BiPo, ce qui est proche des exigences pour SuperNEMO et représente un gain d'un facteur 4 par rapport aux possibilités actuelles.

Après une introduction à ce mémoire d'habilitation au chapitre 1, je rappelle l'état des lieux de nos connaissances en physique du neutrino au chapitre 2.<br />Je détaille ensuite dans le chapitre 3 les choix effectués pour la conception et la réalisation du détecteur NEMO 3, consacré aux études des processus de double désintaégration bêta. Les performances complètes du détecteur sont aussi rappelées, tant en terme d'identification des fonds, que pour l'ensemble des processus bêta bêta, ainsi que les moyens utilisés par la collaboration pour réduire d'un facteur dix le bruit de fond dû à la présence de radon dans le détecteur, le rendant ainsi négligeable. Ce chapitre, correspondant au "Technical Report" de l'expérience NEMO 3, est écrit en anglais et forme un ensemble complet destiné aux collaborateurs de l'expérience NEMO.<br />Je termine ce mémoire avec le chapitre 4, par une prospective à dix ans sur les futurs projets expérimentaux en physique de la double désintégration bêta, en insistant d'une part sur le projet SuperNEMO et le programme de R&D à réaliser en France au cours des trois prochaines années, et d'autre part sur la comparaison avec les expériences qui me semblent les plus prometteuses, comme GERDA ou CUORE, avec notamment l'étude de l'effet ds éléments de matrice nucléaires sur la mesure de la masse effective du neutrino.

Le détecteur NEMO3 a été conçu pour l'étude de la double désintégration bêta et particulièrement pour la recherche de la double désintégration bêta sans émission de neutrino ($0\nu\beta\beta$). La sensibilité attendue pour la désintégration $0\nu\beta\beta$ est, en terme de la demi-vie de l'ordre de $10^(25)$~ans, en terme de masse effective du neutrino cela correspond à une sensibilité (0,3 -- 0,1)~eV. Le processus $0\nu\beta\beta$ représente aujourd'hui le test de la nature Majorana du neutrino le plus prometteur. Le détecteur a été construit au Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) en France par la collaboration internationale (France, Russie, République Tchèque, États-Unis, Royaume-Uni, Finlande et Japon). La prise de donnée a commencé en mai 2002 et continue actuellement. La masse de $^(100)$Mo dans le détecteur (7~kg) permet une mise en évidence de la double désintégration bêta avec émission de deux neutrinos ($2\nu\beta\beta$) du $^(100)$Mo vers l'état excité $0^+_1$ (canal eeN$\gamma$). Les simulations Monte-Carlo de l'effet et de tous les types de bruit de fond ont été effectuées pour définir un ensemble des critères de sélection appropriés. D'autre part des runs avec des sources du $^(208)$Tl et du $^(214)$Bi ainsi que des simulations Monte-Carlo de ces données ont montré que le seul bruit de fond significatif dans le canal eeN$\gamma$ vient du radon qui avait pénétré à l'intérieur de la chambre à fils de NEMO3. Les données expérimentales acquises de mai 2002 à mai 2003 ont été analysées pour déterminer le signal dû à la désintégration $2\nu\beta\beta$ du $^(100)$Mo vers l'état excité $0^+_1$ et le niveau de bruit de fond correspondant. Le résultat est donné sous la forme d'un intervalle de valeurs de la demi-vie au niveau de 95\% de confiance. Cela correspond à une mise en évidence du processus au niveau de confience de quatre écarts standards.

Le détecteur NEMO3, installé dans le Laboratoire Souterrain de Modane, a pour but l'étude de la double désintégration bêta sans émission de neutrinos, processus dont l'observation permettrait d'affirmer que le neutrino est une particule massive de Majorana. Ce détecteur est composé de feuilles sources, très fines, centrales, d'émetteur double bêta, représentant un total de 10 kg, d'un détecteur de traces constitué de cellules de dérive fonctionnant en régime Geiger, d'un calorimètre formé de scintillateurs plastiques associés à des photomultiplicateurs, d'une bobine fournissant un champ magnétique de 30 gauss et de deux blindages permettant de réduire les flux de neutrons et de photons. Dans la première partie de cette thèse, je décris les liens unissant certains mécanismes s'inscrivant dans le cadre d'une violation trilinéaire de la R-parité à la double désintégration bêta. La seconde partie, expérimentale, est dédiée à l'étude détaillée du détecteur de traces de l'expérience : après avoir décrit les différents tests de fonctionnement, je présente la détermination des caractéristiques de la reconstruction des traces traversant le détecteur (résolutions transverse et longitudinale, par cellule Geiger et précisions sur la détermination du vertex, reconnaissance de la charge). Une dernière partie correspond à l'analyse des données acquises par l'expérience. Une limite supérieure sur l'activité des sources en 208Tl, l'une des principales sources de bruit de fond, a ainsi pu être déterminée : elle est inférieure à 68 mBq/kg à 90% de niveau de confiance. Par ailleurs, j'ai mis au point et testé sur les données une méthode d'analyse du signal de double désintégration bêta sans émission de neutrinos, basée sur un maximum de vraisemblance utilisant toute l'information disponible : cela m'a permis de déterminer une première limite supérieure, très préliminaire, sur la masse effective du neutrino.

Le sujet de cette thèse est l'analyse des données de l'expérience LPCTrap d'octobre 2008. L'objectif était de mesurer le coefficient de corrélation angulaire b-v, abv, de la désintégration de l'6He avec une précision de 0.5%. La mise en évidence d'une déviation de la valeur de abv par rapport à la prédiction du Modèle Standard (MS) serait la signature indirecte d'un couplage de type tenseur dans la désintégration faible du noyau 6He qui mettrait en cause la structure V−A adoptée pour décrire l'interaction faible au sein du MS. Un piège de Paul est employé pour confiner les ions 6He+ dans un volume très restreint et pratiquement au repos afin de disposer d'une source de décroissances la mieux définie. La particule et l'ion de recul 6Li++ émis lors de la désintégration sont détectés en coïncidence par des détecteurs placés autour du piège. a bv est déterminé en comparant la distribution expérimentale du temps de vol de l'ion de recul à celle générée par une simulation Monte-Carlo. Durant cette thèse, une simulation basée sur GEANT4 a été développée, qui prend en compte la totalité des effets expérimentaux susceptibles de contribuer à l'erreur systématique de l'estimation de a bv, notamment la diffusion des électrons de basse énergie. Malgré une statistique expérimentale suffisante et une simulation aboutie, une estimation fiable de a bv s'est finalement révélée impossible à obtenir en raison d'un dysfonctionnement du détecteur d'ions. Une étude statistique exploratoire a été entreprise pour préciser le niveau de sensibilité de la technique de mesure aux tests des hypothèses du MS. Les outils développés dans cette thèse seront utilisés pour analyser les expériences futures.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre général de l'étude de la structure des noyaux radioactifs riches en protons. Il se compose de deux parties.<br /> La première partie est consacrée à l'étude de la décroissance Β- particules retardées de 22Al. L'expérience décrite dans cette partie a été réalisée au GANIL sur la ligne LISE3 et a permis de mesurer avec une meilleure précision par rapport aux expériences précédentes, l'énergie des transitions Β-p, Β-2p et Β-Α et leurs rapports d'embranchement ainsi que le temps de vie de 22Al. Pour la première fois les coïncidences entre les particules chargées et les rayonnements Γ ont été mesurées permettant de reconstituer le schéma de décroissance de ce noyau. La comparaison entre les résultats expérimentaux, les calculs de modèle en couches effectués avec le code OXBASH et le noyau miroir 22F a permis de déterminer le spin, la parité et la masse de l'état fondamental de 22Al ainsi que de nouveaux niveaux dans 22Mg. La force de Gamow-Teller déterminée expérimentalement et celle calculée par le modèle en couches en utilisant un opérateur effectif sont en parfait accord à basse énergie d'excitation.<br /> La deuxième partie est consacrée à l'étude de la méthode de la diffusion élastique en cinématique inverse comme outil pour la spectroscopie de noyaux exotiques. Plusieurs simulations ont été réalisées afin d'étudier la faisabilité d'une telle expérience et d'optimiser les paramètres expérimentaux pour obtenir la meilleure résolution en énergie. Des expériences réalisées au GANIL avec des faisceaux stables puis avec un faisceau radioactif ont montré que cette méthode est un outil puissant pour la spectroscopie des noyaux exotiques avec un faisceau radioactif dont les propriétés sont équivalentes à celles des faisceaux prochainement délivrés par SPIRAL.

Le sujet de ce travail est double. L'objectif principal est de mesurer le paramètre de corrélation angulaire (aβν) dans la décroissance bêta de l'6He1+ avec une précision relative de l'ordre de 0.5% ainsi que la probabilité de shakeoff associée. Une déviation entre les valeurs expérimentale et théorique de aβν mettrait en évidence l'existence de courant tensoriel dans l'interaction faible. Par conséquent, la structure en V-A du Modèle Standard utilisée pour décrire l'interaction faible serait remise en question. Un piège de Paul est utilisé pour confiner les ions d'6He1+ dans un volume très petit presque au repos afin d'avoir une source aussi bien définie que possible. Les particules bêta et les ions de recul issus de la décroissance sont détectés en coïncidence par un dispositif placés autour du piège. Ce dispositif est également sensible aux différents états de charge de l'ion de recul et permet aussi de mesurer les pro- babilités de shakeoff. Ces dernières et aβν sont déduites à partir d'une comparaison entre les données expérimentales et des simulations Monte-Carlo réalistes du spectre en temps de vol des ions de recul effectuées avec les codes Simion et Geant4. L'ensemble des distributions experimentales mesurées permet de contrôler les effets systématiques principaux. La seconde partie de cette thèse est dédiée au développement d'un nouvel Ensemble Cible Source (ECS) utilisant une source d'ions : FEBIAD (Forced Electron Beam Induced By Arc Discharge). Plusieurs expériences ont été réalisées afin de tester la fiabilité de cet ECS et mesurer les taux de production des nouveaux faisceaux attendus. Elles ont conduit à une version améliorée de celui-ci qui sera testée en décembre 2013. Dans le cadre de cette mise à niveau, les nouveaux faisceaux devraient être disponibles en 2016.

L’expérience SuperNEMO cherche à observer la double désintégration beta sans émission de neutrinos, uniquement possible si le neutrino est une particule de Majorana. Le premier module, aussi appelé démonstrateur, est en cours de construction au Laboratoire Souterrain de Modane. Sa capacité à détecter les particules individuelles en plus d’en mesurer l’énergie en fait un détecteur unique. Le démonstrateur peut contenir 7 kg de ⁸²Se sous forme de fines feuilles source. Ces feuilles source sont entourées par une chambre à fils, permettant ainsi la reconstruction en 3 dimensions des traces de particules chargées. Un calorimètre segmenté, composé de scintillateurs plastiques couplés à des photomultiplicateurs, assure quant à lui la mesure de l’énergie de chaque particule. De plus, la chambre à fils peut être soumise à un champ magnétique afin d’identifier la charge des particules. SuperNEMO est donc capable d’effectuer la reconstruction complète de la cinématique d’un événement ainsi que d’identifier la nature des particules impliquées dans ce dernier : électrons, positrons, particules α ou encore particules γ. En pratique, la reconstruction des particules repose sur divers algorithmes implémentés dans un logiciel de simulation et de reconstruction développé par et pour la collaboration SuperNEMO. La reconstruction des particules γ est particulièrement délicate puisque ces particules ne laissent pas de traces dans la chambre à fils et sont seulement détectées par le calorimètre, parfois même plusieurs fois. Différentes approches ont été explorées durant cette thèse. Ce travail a abouti à la création d’un nouvel algorithme permettant à la fois d’optimiser l’efficacité de reconstruction des particules γ mais aussi d’améliorer la reconstruction de leurs énergies. D'autres programmes assurant l’identification des particules et l’opération des mesures topologiques pertinentes à chaque événement ont aussi été développés. La valeur du champ magnétique a été optimisée pour la recherche de la désintégration 0νββ à l’aide de simulations Monte-Carlo. Les performances des blindages magnétiques ainsi que leur influence sur le champ magnétique ont été évaluées via des mesures effectuées grâce à des bobines magnétiques à échelle réduite. Le démonstrateur SuperNEMO est capable de mesurer ses propres contaminations en bruits de fond grâce à des canaux d’analyse dédiés. À l’issue d’une première prise de données de 2,5 ans, les activités visées pour les principaux bruits de fond devraient être connues précisément. En outre, la demi-vie du processus 2νββ pour le ⁸²Se devrait être mesurée avec une incertitude totale de 0,3 %.À la différence d’autres expériences double beta se basant uniquement sur la somme en énergie des deux électrons, SuperNEMO a accès à la totalité de la cinématique d’un événement et donc à de plus nombreuses informations topologiques. Une analyse multivariée reposant sur des arbres de décision boostés permet ainsi une amélioration d’au moins 10 % de la sensibilité pour la recherche de la désintégration 0νββ. Après 2,5 ans, et si aucun excès d'événements 0νββ n'est observé, le démonstrateur pourra établir une limite inférieure sur la demi-vie du processus 0νββ : T > 5.85 10²⁴ ans, équivalant à une limite supérieure sur la masse effective du neutrino mββ < 0.2 − 0.55 eV. En extrapolant ce résultat à une exposition de 500 kg.an, ces mêmes limites deviendraient T > 10²⁶ ans et mββ < 40 − 110 meV. / SuperNEMO is an experiment looking for the neutrinoless double beta decay in an effort to unveil the Majorana nature of the neutrino. The first module, called the demonstrator, is under construction and commissioning in the Laboratoire Souterrain de Modane. Its unique design combines tracking and calorimetry techniques. The demonstrator can study 7 kg of ⁸²Se, shaped in thin source foils. These source foils are surrounded by a wire chamber, thus allowing a 3-dimensional reconstruction of the charged particles tracks. The individual particles energies are then measured by a segmented calorimeter, composed of plastic scintillators coupled with photomultipliers. A magnetic field can be applied to the tracking volume in order to identify the charge of the particles. SuperNEMO is thus able to perform a full reconstruction of the events kinematics and to identify the nature of the particles involved: electrons, positrons, α particles or γ particles. In practice, the particle and event reconstruction relies on a variety of algorithms, implemented in the dedicated SuperNEMO simulation and reconstruction software. The γ reconstruction is particularly challenging since γ particles do not leave tracks in the wire chamber and are only detected by the calorimeter, sometimes multiple times. Several γ reconstruction approaches were explored during this thesis. This work lead to the creation of a new algorithm optimizing the γ reconstruction efficiency and improving the γ energy reconstruction. Other programs allowing the particle identification and performing the topological measurements relevant to an event were also developed. The value of the magnetic field was optimized for the 0νββ decay search, based on Monte-Carlo simulations. The magnetic shieldings performances and their impact on the shape of the magnetic field were estimated with measurements performed on small scale magnetic coils. The SuperNEMO demonstrator is able to measure its own background contamination thanks to dedicated analysis channels. At the end of the first 2.5 years data taking phase, the main backgrounds target activities should be measured accurately. The ⁸²Se 2νββ half-life should be known with a 0.3 % total uncertainty. Unlike other double beta decay experiments relying solely on the two electrons energy sum, SuperNEMO has access to the full events kinematics and thus to more topological information. A multivariate analysis based on Boosted Decision Trees was shown to guarantee at least a 10 % increase of the sensitivity of the 0νββ decay search. After 2.5 years, and if no excess of 0νββ events is observed, the SuperNEMO demonstrator should be able to set a limit on the 0νββ half-life of T > 5.85 10²⁴ y, translating into a limit on the effective Majorana neutrino mass mββ < 0.2 − 0.55 eV. Extrapolating this result to the full-scale SuperNEMO experiment, i.e. 500 kg.y, the sensitivity would be raised to T > 10²⁶ y or mββ < 40 − 110 meV.