Pas de résumé en français / In experiments looking for rare events, like neutrinoless double beta decay (DBD0v) and dark matter search (DM), one of the main issues is to increase the experimental sensitivity through the material selection and production. In the specific the background contribution coming from the materials used for the detector realization has to be minimized. Moreover the net reduction of the background produced by the bulk part of the apparatus has raised concerns about the background contribution coming from the surfaces. Many procedures and techniques were developed during the last years in order to remove and to minimize the presence of possible contaminants on detector surfaces. To succeed in this strategy a big effort was put in defining all possible mechanisms that lead to surface contaminations, as well as specific cleaning procedures, which are able to reduce and control the surface radioactivity. The presence in air and gases of possible radioactive elements that can stick on the detector surfaces can lead to a recontamination process that will vanish all the applied cleaning procedures. Here is presented and analyzed the contribution to the background of rare events experiments like CUORE (DBD0v) and EDELWEISS (DM) produced by an exposure of their detector components to a big activity of 222Rn, radioactive daughter isotope from the 238U chain

L'étude de la double désintégration bêta sans neutrinos joue un rôle important dans plusieurs questions en physique des particules et cosmologie. Ce processus nucléaire hypothétique viole la conservation du nombre leptonique par deux unités et jusqu'à présent il est le seule moyen pratique pour dévoiler la nature du neutrino : sa détection implique forcement que neutrino et antineutrino sont la même particule. En outre, le taux de décroissance est sensible à la masse efficace de Majorana du neutrino, du coup à l'échelle absolue des valeurs propres de la masse et leur hiérarchie. La marque expérimentale de la DDB0ν est un pic monochromatique dans le spectre énergétique de la somme des deux électrons émis. Le but des expériences de prochaine génération est une sensibilité sur la masse efficace du neutrino de l'ordre de dizaines de meV, c'est-à-dire demi-vies de l'ordre de 10²⁷-10²⁸ années : en pratique, il s'agit de construire des sources de quelques centaines de kg d'isotope candidat, au moins, et les sonder par des détecteurs très efficients, tout en gardant le bruit de fond dans la région énergétique d'intérêt au niveau d'un coup/tonne/an. Les bolomètres luminescents sont une technique prometteuse vu leur excellentes résolutions énergétiques, haute efficacité de détection, ample choix pour les matériaux et extensibilité modulaire à grande échelle; de plus, grâce à la détection simultanée de chaleur et lumière produites par l'interaction des particules, il est possible de discriminer les contaminations α, dangereuse source de bruit aux énergies d'intérêt pour plusieurs noyaux candidats à la DDB0ν. Cette thèse a été effectuée dans le contexte de l'expérience LUMINEU : une expérience pilote qui a pour but la construction d'une expérience de prochaine génération basée sur les bolomètres scintillants en molybdate de zinc, pour l'étude de l'isotope candidat ¹⁰⁰Mo. En vue de la construction d'une expérience à grande échelle, il est nécessaire d'effectuer des caractérisations systématiques pour s'assurer des performances et de la reproductibilité des détecteurs et leurs composantes. La disponibilité d'installations expérimentales en surface, facilement accessibles, est souhaitable pour des tests routiniers : j'ai mené la plupart des expériences au CSNSM, où j'ai aussi travaillé à l'installation d'un nouvel cryostat à dilution basé sur la technologie du Pulse-Tube. Une partie de ma thèse a concerné l'étude de détecteurs bolométriques de lumière aux absorbeurs en germanium et thermomètres NTD (thermistors Neutron Transmutation Doped) : une structure standard pour LUMINEU a été établie et on a mesuré les performances des bolomètres telles que sensibilité, résolution énergétique, bruit de base et reproductibilité. Les résultats sont satisfaisants en vue d'un emploi dans une expérience avec bolomètres scintillants, bien que la configuration soit très sensible à la microphonie. En outre, j'ai testé avec succès des détecteurs bolométriques de lumière exploitants l'effet Neganov-Luke, qui augmente le rapport signal-bruit au niveau compatible avec la détection de la lumière Cherenkov pour la discrimination des événements. Une autre partie a vu la caractérisation des bolomètres scintillants en molybdate de zinc avec masse allant jusqu'à environ 300 g : couplés aux capteurs de lumière susmentionnés et lus par thermistors NTD, ils ont été refroidis en surface au CSNSM et en endroit souterrain à Modane, dans l'installation de l'expérience EDELWEISS pour la Matière Noire. Grâce à la détection simultanée de lumière et chaleur, les interactions des particules β/γ sont séparées des contaminations α. Les résultats démontrent que la caractérisation de bolomètres massifs, presque la taille cible des détecteurs finaux, est possible même en surface, en dépit du rayonnement cosmique. En outre, ces tests ont permis d'optimiser la compatibilité de l'installation de Modane avec les exigences des bolomètres scintillants pour la recherche de la DDB0ν. / Neutrinoless Double Beta Decay (0νDBD) is regarded as an important key in the decryption of some hot astroparticle and cosmological enigmas: it violates lepton number by two units and it is currently the only known practical way to shed light on the neutrino nature, being possible only in case of a Majorana neutrino, identical to its antiparticle. Moreover, the 0νDBD rate is sensitive to the effective neutrino mass, so it would be useful to define the absolute neutrino mass scale and hierarchy. The experimental footprint of 0νDBD is a monochromatic peak in the sum energy spectrum of the two emitted electrons. Next-generation experiments aim at reaching a sensitivity on the effective neutrino mass of the order of ten meV, corresponding to half lives in the range 10²⁷-10²⁸ years: this means to be able to gather, at least, a few hundred kilograms of 0νDBD candidate isotope source and to efficiently scrutinize it with very sensitive detectors. Meanwhile, background levels in the energy region of interest of the 0νDBD signal should be lowered to less than one count/ton/y. Cryogenic luminescent bolometers are a promising technique for 0νDBD search, as they feature excellent energy resolutions, high detection efficiency, flexibility in the material choice and easy scalability to large modular experiments; furthermore, the simultaneous read-out of heat and light signals produced by particle interactions provides an active discrimination method against the dangerous α contaminations, populating the 0νDBD energy region of several interesting candidate isotopes. The work presented in this dissertation was carried out in the context of the LUMINEU project: a pilot experiment focused on zinc molybdate scintillating bolometers, to define the strategies for the construction of a next-generation experiment based on the 0νDBD candidate ¹⁰⁰Mo. In view of the construction of a large 0νDBD experiment, involving hundreds of modules, systematic cryogenic measurements have to be performed to ensure good performance and reproducibility of the detectors and their components. Aboveground facilities are preferred for routinary tests because of their easier accessibility: most of the tests were carried out at CSNSM, where I also worked on the setup of a new cryogenic apparatus, based on the Pulse-Tube technology. One part of my thesis work saw the study of bolometric light detectors based on germanium absorbers and Neutron Transmutation Doped (NTD) thermometers: a proper design was developed in view of LUMINEU and the devices were characterized in terms of sensitivity, energy resolution, baseline noise and reproducibility. The results are compatible with a 0νDBD search final experiment, though this detector configuration is very sensitive to vibrational noise. In addition, the feasibility of bolometric light detectors based on NTD thermometers and Neganov-Luke amplification was investigated, demonstrating that this technique can actually boost the signal-to-noise gain to a level compatible with event discrimination based on Cherenkov light detection. Another part of my work dealt with the test of scintillating zinc molybdate bolometers of mass up to ~300 g, coupled to the aforementioned light detectors and operated both in the aboveground facilities at CSNSM and underground at Modane, in the cryostat of the EDELWEISS Dark Matter search experiment. Good event discrimination capability was achieved: thanks to double read-out of heat and light, it is possible to identify α particles, the threatening background for 0νDBD interests, against β/γ interactions. The results proved the possibility to pre-characterize aboveground detectors of mass close to the one of a final experiment module, despite the high cosmic rays rates. Besides, the measurements opened the way to the mutual compatibility of the underground setup, conceived for another kind of experiment, and LUMINEU 0νDBD search detectors.

Aujourd'hui, nous sommes tous témoins d'une compétition des installations en pays différents pour étudier les régions inconnues de noyaux riches en neutrons. Beaucoup d'efforts sont consacrés à comprendre le rôle de l'excès de neutrons et son influence sur les noyaux dans les environs de coquilles de neutrons fermées. Un des moyens pour étudier la structure nucléaire est via la désintégration bêta. Une fois un noyau est prouvé d'exister, ses propriétés de désintégration bêta, comme T1/2 et Pn (probabilité de l'émission de neutrons de bêta-retardés), qui sont relativement faciles à mesurer, peuvent fournir les premiers indices sur la structure nucléaire. Sur le site de processus-r des «points d'attente» (noyaux sur des coquilles de neutrons fermés) ont des effets importants sur la dynamique processus-r ainsi que sur la distribution de l'abondance des éléments. Les conditions astrophysiques exactes en vertu de desquelles la synthèse nucléaire a lieu ne sont pas connus avec certitude. Parce que les noyaux participant en processus-r sont difficiles à synthétiser même aujourd'hui et à étudier expérimentalement, les paramètres nécessaires pour les calculs du processus-r sont principalement dérivés de modèles théoriques. Comme on l'a vu récemment, la plupart des théories n'ont pas réussi à reproduire des ensembles de données nouvellement mesurées près de fermetures de couche. Avec de nouvelles données expérimentales déjà (ou bientôt) disponibles les approches théoriques peuvent être ajustées. Comme émission de neutrons retardée bêta devient plus importante voie le canal dominant en désintégration des noyaux loin d'un stabilité, l'utilisation d'un détecteur de neutrons approprié afin d'étudier leurs propriétés est indispensable. C'est pour mener la recherche appropriée que dans le cadre de la thèse, en étroite collaboration avec le JINR (Dubna) un nouveau système de détection a été construit. Il se compose de 80 compteurs de ³He, un détecteur 4π de bêta et un HPGe afin de mesurer simultanément l'activité de gamma, bêta et neutrons. Le développement d'un tel système de détection, actuellement installé sur ALTO, a été le premier objectif de la thèse. Puis, au cours de deux campagnes expérimentales menées pour examiner les propriétés de désintégration bêta de noyaux riches en neutrons dans le proximité de N = 50, N = 82 la capacité de travail du système de détection produit a été prouvée. Dans le région de ⁷⁸Ni : le temps de vie et de la probabilité de l'émission de neutrons bêta retardés pour ⁸º,⁸²,⁸³,⁸⁴Ga ont été mesurés. Nous sommes les premiers à observer la structure de ⁸¹,⁸² Ge via spectroscopie gamma spectre conditionnée par bêta et par neutron. Grâce à la détection des neutrons les intensités absolues de la désintégration bêta ont été proposées pour la première fois. Dans le région de ¹³²Sn les temps de vie de ¹²³Ag, ¹²⁴Ag, ¹²⁵Ag et ¹²⁷In, ¹²⁸In ont été mesurées. Pour la première fois l'émission de neutrons retardés bêta a été observée pour le cas de ¹²⁶Cd, sa valeur Pn également mesurée. Sur la base des données obtenues, nous arrivons à la conclusion que, pour déterminer la contribution relative de désintégrations permises et interdites les efforts théoriques doivent être faites en traversant la couche N = 50. Alors que dans le région de N = 82 plus de données expérimentales sont nécessaires. / Nowadays we are all witnesses of a competition of facilities at different countries to study unknown regions of neutron rich nuclei. Much efforts are devoted to understand the role of neutron excess and its influence on nuclei in vicinity of closed neutron shells. One of the means to investigate nuclear structure is in beta-decay. Once a nucleus is proven to exist, its beta-decay properties, such as T1/2 and Pn (probability of beta-delayed neutron emission), which are relatively easy to measure, can provide the first hints on the nuclear structure. On the r-process site, "waiting points"(nuclei on closed neutron shells) has significant effects on the r-process dynamics and the abundance distribution. The actual side and the astrophysical conditions under which the nuclear synthesis takes place are still not certainly known - since r-process nuclei are difficult to produce and to study experimentally, input parameters for r-process calculations are mostly derived from theoretical models. As it has been seen lately, most of the theories have failed to reproduce newly measured data sets near shell closures. With new experimental data already (or shortly) available theoretical approaches can be adjusted. Since a beta-delayed neutron emission becomes strong if not dominating decaying channel for nuclei far stability, a proper neutron detector to study their properties is indispensable. To conduct the appropriate investigations, in the frame of the present thesis, in close collaboration with JINR (Dubna) a new detection system was constructed. It consists of 80 ³He-filled counters, 4π beta detector and a HPGe in order to measure simultaneously beta, gamma, neutron activity. The development of such a detection system system, currently installed at ALTO ISOL facility, was the first objective of the thesis. Then, during two experimental campaigns conducted to investigate beta decay properties of neutron rich nuclei in the neighborhood of N=50, N=82 the workability of the newly produced detection system was proven. In the vicinity of ⁷⁸Ni: half- lives and probability of beta-delayed neutron emission for ⁸º,⁸²,⁸³,⁸⁴Ga were measured. We were the first to observe the structure of ⁸¹,⁸² Ge via beta neutron gated gamma spectra. Thanks to the neutron detection channel the absolute intensities of beta decay were proposed for the first time. In the vicinity of ¹³²Sn the half lives of ¹²³Ag, ¹²⁴Ag, ¹²⁵Ag and ¹²⁷In, ¹²⁸In was measured. For the first time the beta delayed neutron emission was observed for ¹²⁶Cd, its Pn value also measured. Based on the data obtained we come to the conclusion that to figure out the relative contribution of allowed and forbidden decays more theoretical efforts should be done crossing the N=50 shell. Whereas in the vicinity of N=82 shell more experimental challenge are required.