SuperNEMO est un projet de détecteur de nouvelle génération pour la recherche de la décroissance double bêta sans émission de neutrinos. La technique expérimental déployée est dans la lignée du son prédécesseur NEMO3, combinant un trajectographe et un calorimètre, afin d’identifier non seulement les électrons des décroissances double bêta, mais également pour mesurer l’ensemble des composantes de bruit de fond du détecteur. Le projet vise ainsi une sensibilité de 10^26 ans sur la période du 82Se, ce qui permettrait de sonder une masse effective du neutrino de 50 meV. Pour atteindre cette sensibilité, le projet prévoit notamment de mettre en place un calorimètre composé d’un millier de compteur à scintillation de basse radioactivité, dont la résolution en énergie serait meilleure que 8 % FWHM pour des électrons de 1 MeV.Ce travail de thèse apporte une contribution importante dans les travaux de Recherche et Développements pour améliorer les performances des scintillateurs et photomultiplicateurs, et pour réduire leur radioactivité, avec notamment la conception d’un nouveau photomultiplicateur en collaboration avec Photonis. / SuperNEMO is a next generation double beta decay experiment which will extend the successful “tracko-calo” technique employed in NEMO 3. The main characteristic of this type of detector is to identify not only double beta decays, but also to mesure its own background components. The projet aims to reach a sensitivity up to 1026 years on the half-life of 82Se. One of the main challenge of the Research and Development is to achieve an unprecedented energy resolution for the electron calorimeter, better than 8 % FWHM at 1 MeV.This thesis contributes to improve scintillators and photomultiplicators performances and reduce their radioactivity, including in particular the development of a new photomultiplier in collaboration with Photonis.

This Master thesis aims at designing, assembling and operating a prototypal luminescentbolometer containing a candidate with high Q-value (116Cd and 100Mo)for the study of the neutrinoless double- decay. The crystal is scintillating (with 116CdWO4 and Li2MoO4 compounds). The prototype is designed according to a simple thermal model and cooled down to 18 mK. Data analysis of the 116CdWO4 crystal determines the energy resolution (intrinsicand in the ROI) and the alpha/beta discrimination power. It includes a full interpretation of the background energy spectrum in terms of environmental radioactivity and an evaluation of the crystal radiopurity by the detection of internal contamination of the detector. An evaluation of the potential of a future experiment based on the 116CdWO4developed prototype is performed, ascertaining the feasibility of large scale experiments to search for neutrinoless double beta decay. The use of the thermal model of the detector response to interpret its bolometric behaviour and the study of future optimizations of the detector performance concludes this project.

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.

<p>An experimental study of the two-neutrino double-beta (2&nu;&beta;&beta;) decay of <super>150</super>Nd to various excited final states of <super>150</super>Sm was performed at Triangle Universities Nuclear Laboratory (TUNL). Such data provide important checks for theoretical models used to predict 0&nu;&beta;&beta; decay half lives.</p> <p>The measurement was performed at the recently established Kimballton Underground Research Facility (KURF) in Ripplemeade, Virginia using the TUNL-ITEP double-beta decay setup. In this setup, two high-purity germanium detectors were operated in coincidence to detect the deexcitation gamma rays of the daughter nucleus. This coincidence technique, along with the location underground, provides a considerable reduction in background in the regions of interest.</p> <p>This study yields the first results from KURF and the first detection of the</p> <p>coincidence gamma rays from the 0<super>+</super>₁ excited state of <super>150</super>Sm. These gamma rays</p> <p>have energies of 334.0 keV and 406.5 keV, and are emitted in coincidence through a 0<super>+</super>₁&rarr;2<super>+</super>₁&rarr;0<super>+</super>_gs transition. The enriched Nd₂O₃ sample obtained from Oak Ridge</p> <p>National Laboratory consists of 40.13 g <super>150</sub>Nd. This sample was observed for 391 days, producing 29 raw events in the region of interest. This count rate gives a half life of T_1/2 = (0.72<super>+0.36</super>_&#8722;0.18 &plusmn; 0.04(syst.)) &times; 10<super>20</super> years, which agrees within error with</p> <p>another recent measurement, in which only the single deexcitation gamma rays were detected (i.e., no coincidence was employed). Lower limits were also obtained for decays to higher excited final states.</p> / Dissertation

<p>Two separate experimental searches for second-order weak nuclear decays to excited final states were conducted. Both experiments were carried out at the Kimballton Underground Research Facility to provide shielding from cosmic rays. The first search is for the two-neutrino double-beta decay of 96Zr to excited final states of the daughter nucleus, 96Mo. As a by product of this experiment, the beta decay of 96Zr was also investigated. Two coaxial high-purity germanium detectors were used in coincidence to detect gamma rays produced by the daughter nucleus as it de-excited to the ground state. After collecting 1.92 years of data with 17.91 g of enriched 96Zr, half-life limits at the level of 10^20 yr were produced. Measurements of this decay are important to test neutrinoless double-beta decay nuclear matrix element calculations, which are necessary to extract the neutrino mass from a measurement of the neutrinoless double-beta decay half-life. </p><p>The second experiment is a search for the resonantly-enhanced neutrinoless double-electron capture decay of 156Dy to excited states in 156Gd. Double-electron capture is a possible experimental alternative to neutrinoless-double beta decay, which could distinguish the Dirac or Majorana nature of the neutrino. Two clover high-purity germanium detectors were used in coincidence to investigate the decay. A 213.5 mg enriched 156Dy sample was observed for 0.635 year, producing half-life limits of 10^17 yr. The limits produced by both of these experiments are currently the most stringent limits available for these decays.</p> / Dissertation

While neutrino oscillations indicate that neutrino flavors mix and that neutrinos have mass, they do not supply information on the absolute mass scale of the three flavors of neutrinos. Currently, the only viable way to determine this mass scale is through the observation of the theoretically predicted process of neutrinoless double-beta decay (0νββ). This yet-to-be-observed decay process is speculated to occur in a handful of nuclei and has predicted half-lives greater than 10²⁵ years. Observation of 0νββ is the goal of several large-scale, multinational efforts and consists of detecting a sharp peak in the summed β energies at the Q-value of the reaction. An exceptional candidate for the observation of 0νββ is ⁷⁶Ge, which offers an excellent combination of capabilities and sensitivities, and two such collaborations, MAJORANA and GERDA, propose tonne-scale experiments that have already begun initial phases using a fraction of the material. The absolute scale of the neutrino masses hinges on a matrix element, which depends on the ground-state wave functions for both the parent (⁷⁶Ge) and daughter (⁷⁶Se) nuclei in the 0νββ decay and can only be calculated from nuclear structure models. Efforts to provide information on the applicability of these models have been undertaken at the University of Kentucky Accelerator Laboratory using gamma-ray spectroscopy following inelastic scattering reactions with monoenergetic, accelerator-produced fast neutrons. Information on new energy levels and transitions, spin and parity assignments, lifetimes, multipole mixing ratios, and transition probabilities have been determined for ⁷⁶Se, the daughter of ⁷⁶Ge 0νββ, up to 3.0 MeV. Additionally, inaccuracies in the accepted level schemes have been addressed. Observation of 0νββ requires precise knowledge of potential contributors to background within the region of interest, i.e., approximately 2039 keV for ⁷⁶Ge. In addition to backgrounds resulting from surrounding materials in the experimental setup, ⁷⁶Ge has a previously observed 3952-keV level with a de-exciting 2040-keV γ ray. This γ ray constitutes a potential background for 0νββ searches, if this level is excited. The cross sections for this level and, subsequently, for the 2040-keV γ ray has been determined in the range from 4 to 5 MeV.

Le démonstrateur de SuperNEMO est un détecteur de nouvelle génération pour la recherche de la décroissance double bêta sans émission de neutrinos. Comme son prédécesseur NEMO3, la technique expérimentale utilisée associe un trajectographe et un calorimètre afin de pouvoir identifier les électrons des décroissances double bêta tout en permettant la différenciation des différentes composantes du bruit de fond. Le démonstrateur est en cours d’installation au Laboratoire Souterrain de Modane et commencera à prendre des données à la fin de l’année 2017 afin d’atteindre une sensibilité supérieure à 1026 ans sur la demi-vie de la décroissance ββ0ν du 82Se dans la version finale du détecteur (100 kg d’isotopes pour une exposition totale de 5 ans).Ce travail de thèse a consisté à étudier la réponse en énergie et en temps des modules optiques du calorimètre (association d'un scintillateur plastique et d'un photomultiplicateur). Une simulation optique basée sur le logiciel GEANT4 a été développée afin de reproduire l'ensemble des phénomènes optiques ayant lieu au sein du scintillateur et du photomultiplicateur : scintillation, atténuation de Birks, émission Cerenkov, propagation et collection des photons. Ces travaux ont abouti à la mise au point de termes correctifs de hautes précisions sur l’énergie afin que le Monte Carlo de SuperNEMO soit au plus proche des données. Ces corrections ont alors été appliquées dans le cas du démonstrateur afin d’étudier l'impact sur la sensibilité au processus ββ0ν du 82Se. Ces simulations optiques ont également été étendues jusqu’à la modélisation de la forme temporelle des signaux du calorimètre. / The SuperNEMO demonstrator is a next generation experimental device, looking for neutrinoless double beta decay. Like its predecessor NEMO3, the experimental technique employed is based on a combination of a tracker and a calorimeter to identify the electrons from the double beta decay process while allowing the differentiation and identification of the different background components. The SuperNEMO’s demonstrator is currently being installed at the Modane Underground Laboratory and will begin to register data by the end of 2017. The aim is to reach a sensivity greater than 1026 years on the half-life of the 82Se ββ0ν process in the final version of the detector (100 kg of isotopes for a 5 years’ total exposure).This thesis contribution to the SuperNEMO, consisted in studying the energy and time response of the calorimeter optical modules (association of a plastic scintillator and a photomultiplier). To do so, an optical simulation based on the GEANT4 software was developed, which enabled to reproduce and simulate all the optical phenomena inside a scintillator and a photomultiplier: scintillation, Birks attenuation, Cerenkov emission, propagation and photon collection. The outcome and result of this thesis has been to develop high-precision corrective factors on the energy linked, so that the Monte-Carlo’s SuperNEMO is closest to the real data experimental records. These corrections were applied to the demonstrator simulation in order to study the impact on the ββ0ν sensitivity. These optical simulations have also been extended to the modeling of the temporal shape of the calorimeter signals.

L'observation de la désintégration double bêta sans émission de neutrino (0ν2β) fournirait des informations essentielles sur la nature du neutrino et son échelle de masse absolue. Ce processus consiste en la transformation simultanée de deux protons en deux neutrons avec l'émission de deux électrons et aucun neutrino. Cette transition n'est possible que si les neutrinos sont égaux aux antineutrinos (nature Majorana du neutrino). Les recherches pour une désintégration à ce point rare représentent un défi technique complexe, car les expériences de prochaine génération visent des sensibilités de l'ordre de 10^27-10^28 ans afin d'avoir un potentiel de découverte élevé. Cette thèse est focalisée sur les projets LUMINEU et CUPID-Mo, développant la technique des bolomètres scintillants pour la recherche de désintégration 0ν2β avec le radio-isotope 100Mo.Les bolomètres sont des détecteurs cryogéniques mesurant l'énergie des particules déposées via un changement de température dans l'absorbeur. Si des cristaux scintillants sont utilisés comme absorbeurs, les signaux lumineux peuvent être enregistrés avec un bolomètre auxiliaire, sensible à l'énergie totale déposée par les photons de scintillation. Une telle configuration permet de séparer les particules α des γ/β, en rejetant le fond le plus difficile. La technologie des bolomètres scintillants est décrite en détail comme une option pour une future expérience cryogénique à l'échelle d'une tonne, appelée CUPID, qui peut couvrir complètement la région de masses de neutrinos dans la hiérarchie inversée. / Neutrinoless double beta (0ν2β) decay is a process of great interest for neutrino physics: its observation would provide essential information on neutrino nature and its absolute mass scale. This process consists of the simultaneous transformation of two protons into two neutrons with the emission of two electrons and no neutrino, implying the violation of the total lepton number. Such transition is possible only if neutrinos are equal to antineutrinos (Majorana particles). The searches for such a rare decay are becoming a complicated technical challenge, as next generation of 0ν2β experiments aim at sensitivities of the order of half-life at 10^27-10^28 yr. This thesis is focused on LUMINEU and CUPID-Mo projects, developing the scintillating bolometers technique for 0ν2β decay search with 100Mo with Li2MoO4 crystals. Bolometers are cryogenic detectors measuring the deposited particle energy as a change of temperature in the absorber. The use of scintillating crystals allows to perform discrimination of α particles from γ/β ones due to different light output of these two particle types, rejecting the most challenging background. The scintillating bolometers technology is described in details as an option for a future ton-scale cryogenic experiment, named CUPID, which can completely cover the inverted hierarchy region of neutrino masses.

Les neutrinos sont les particules fondamentales de matière les plus abondantes dans l’univers. Ils ont été détectés pour la première fois en 1956. Depuis lors, plusieurs expériences ont tenté de percer leurs mystères. Ils n’interagissent que par interaction faible, ils sont donc difficiles à détecter. On sait aujourd’hui qu’ils ont une masse très faible, et qu’ils peuvent osciller entre trois saveurs leptoniques. Cependant, de nombreuses questions perdurent sur leur masse, leur nature ou encore l’existence de neutrinos stériles. Cette thèse appréhende ces deux dernières questions à l’aide de deux expériences différentes : SuperNEMO et SoLid. Le but de l’expérience SuperNEMO est de rechercher la nature du neutrino, c’est-à-dire s’il est sa propre anti-particule (particule de Majorana) ou non (particule de Dirac). Pour cela, on cherche à détecter des doubles désintégrations bêta sans émission de neutrinos car ce processus n’est possible que si les neutrinos sont des particules de Majorana. Des feuilles sources de l’émetteur double bêta ⁸²Se seront installées au centre du démonstrateur SuperNEMO qui est actuellement en construction au Laboratoire Souterrain de Modane. Ce détecteur est composé d’une chambre à fils pour détecter les traces des deux électrons émis lors des désintégrations et d’un calorimètre pour mesurer leurs énergies. La mesure de la double désintégration bêta sans émission de neutrinos est très compliquée car si ce processus existe, il est extrêmement rare. Par conséquent, un travail important est fait pour réduire le bruit de fond des rayons cosmiques ou de la radioactivité naturelle. Dans cette thèse, des simulations des différents bruits de fonds ont été faites pour comprendre leur impact sur la mesure de l’énergie des électrons issus de la double désintégration bêta du ⁸²Se. Il est montré que la radioactivité du verre des photomultiplicateurs ne sera pas négligeable mais qu’elle pourra être mesurée précisément dans certains canaux d'analyse. Des feuilles de cuivre ont aussi été simulées à la place des sources de ⁸²Se pour montrer qu’elles peuvent aider à contrôler le bruit de fond efficacement. Suite à ces travaux, il a été décidé d’installer des feuilles de cuivre parmi les sources de ⁸²Se. La deuxième expérience sur laquelle porte cette thèse est l’expérience SoLid qui cherche à prouver l’existence de neutrinos stériles. Plusieurs anomalies expérimentales pourraient être expliquées par des oscillations d'antineutrinos de réacteurs vers des neutrinos stériles. Le détecteur SoLid cherche à mettre en évidence un signal d'oscillation auprès du réacteur BR2 en Belgique en mesurant le flux d’antineutrinos en fonction de leur énergie et de la distance parcourue, grâce à une grande segmentation. La détection des antineutrinos de réacteur se fait par désintégration bêta inverse. L’interaction d’un antineutrino se traduit donc par l’émission en coïncidence d’un positron et d’un neutron. Les positrons sont détectés dans des cubes de plastique scintillant en PVT et les neutrons sont détectés par des feuilles de ⁶LiF:ZnS posées sur chacun des cubes. Un premier prototype, SM1, a montré l’intérêt de cette technologie notamment pour discriminer les bruits de fonds. Une partie des travaux de cette thèse a consisté à développer et exploiter un banc de test afin d'optimiser la collection de lumière du détecteur pour améliorer la résolution en énergie de SoLid. En testant différents matériaux et différentes configurations du détecteur, les mesures sur le banc de test ont montré qu’une résolution en énergie de 14 % pouvait être atteinte pour le détecteur SoLid (contre 20 % pour le prototype SM1). Les améliorations proposées ont été prises en compte dans la construction du détecteur SoLid qui s’est achevée en 2017. Une analyse des premières données du détecteur est également présentée pour montrer la sensibilité de SoLid à la détection des antineutrinos de réacteur. / Neutrinos are the most abundant fundamental particles of matter in the Universe. They were detected for the first time in 1956. Since then, several experiments have tried to unveil their mysteries. They only interact weakly so they are difficult to detect. It is known that their masses are very low and that they can oscillate between three leptonic flavours. However, several questions remain about their masses, their nature or the existence of sterile neutrinos. This thesis addresses the last two questions with two different experiments: SuperNEMO and SoLid. The goal of the SuperNEMO experiment is to understand the nature of neutrinos, whether it is its own antiparticle (Majorana particle) or not (Dirac particle). This is investigated by searching for neutrinoless double beta decay as this process is possible only if neutrinos are Majorana particles. Source foils of the double beta emitter ⁸²Se are installed at the center of the SuperNEMO demonstrator which is being assembled at the Modane Underground Laboratory. This detector is composed of a wire chamber to detect the tracks of the two electrons emitted in the decays and a calorimeter to measure their energies. Neutrinoless double beta decay measurement is very difficult because if this process exists, it is extremely rare. An important work has thus to be done to decrease backgrounds from cosmic rays or natural radioactivity. In this thesis, different backgrounds have been simulated to understand their impact on the measurement of the energy of the two electrons from ⁸²Se double beta decay. It is shown that radioactivity from photomultipliers glasses will not be negligible but it will be possible to measure it precisely in dedicated channels. Copper foils have also been simulated in the source strips to demonstrate that they can help to control efficiently the backgrounds. Following this work, it has been decided to install copper foils in addition to ⁸²Se foils. The second experiment investigated in this thesis is the SoLid experiment which is looking for the existence of sterile neutrinos. Several experimental anomalies could be explained by oscillations of reactor antineutrinos toward sterile neutrinos. The SoLid detector is looking for an oscillation signal at the Belgian BR2 reactor by measuring the antineutrino flux as a function of their energy and their traveling distance thanks to a fine segmentation. The reactor antineutrinos are detected via inverse beta decay. The antineutrino interaction signal is thus the emission in coincidence of a positron and a neutron. Positrons are detected by plastic scintillator cubes in PVT and neutrons are detected by ⁶LiF:ZnS sheets placed on 2 faces of each cube. A first prototype, SM1, has demonstrated the advantages of this technology, particularly to discriminate backgrounds. A part of the work of this thesis consisted in developing and exploiting a test bench to optimize the light collection of the detector in order to improve the energy resolution of the SoLid detector. By testing different materials and configurations, the test bench measurement demonstrated that an energy resolution of 14 % can be achieved for SoLid phase I, while it was 20 % for the SM1 prototype. The improvements proposed have been taken into account for the SoLid detector construction that was achieved in 2017. An analysis of the first detector data is also presented to show SoLid sensitivity to reactor antineutrino detection.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第22627号 / 理博第4616号 / 新制||理||1663(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)准教授 市川 温子, 教授 中家 剛, 准教授 窪 秀利 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM