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.

L'expérience NEMO-3 recherche un signal de double désintégration bêta sans émission de neutrino (beta beta 0 nu) avec une sensibilité de l'ordre de 1024 années. L'observation de ce processus, interdit par le Modèle Standard car violant la conservation du nombre leptonique total, permettrait de déterminer la nature théorique de cette particule (Dirac ou Majorana) et d'accéder à l'échelle de masse du neutrino. L'objectif de ce travail est d'étudier les événements de décroissance beta beta à haute énergie du 82Se et du 150Nd utilisés dans le détecteur NEMO-3. La première partie de cette étude consiste en l'élaboration de modèle de bruits de fond de l'expérience en exploitant les données du détecteur. La seconde partie de ce travail a permis de mesurer les périodes de décroissance beta beta 2 nu de ces isotopes et déterminer une limite inférieure sur la période du processus beta beta 0 nu par échange de neutrinos légers de Majorana. Dans la dernière partie, une mesure spécifique de la contamination en thallium est menée en exploitant la sensibilité du détecteur NEMO-3 à la décroissance 212Bi-Po.

L'expérience NEMO3 était dédiée à la recherche de la désintégration ββ0ν à l'aide de diverses sources d'isotopes de désintégration double bêta (principalement ¹ººMo, ⁸²Se, ¹¹⁶Cd et ¹³ºTe pour un total d'environ 10 kg). Le détecteur était localisé dans le Laboratoire souterrain de Modane, à mi-parcours du tunnel du Fréjus. Cette expérience a permis de démontrer que la technologie "tracko-calo" est très compétitive et a de plus offert de nouveaux résultats pour la recherche des désintégrations ββ2ν et ββ0ν. Par ailleurs, elle a ouvert la voie pour son successeur SuperNEMO, dont le but est d'atteindre 100 kg de ⁸²Se (pour une sensibilité de 10²⁶ années). Le but principal de cette thèse a été de mesurer le temps de demi-vie des désintégrations ββ2ν et ββ0ν du ¹ººMo vers les états excités 0₁⁺ du ¹ººRu à l'aide des données totales de NEMO3, avec de nouvelles méthodes d'analyse et un développement du programme d'analyse de la collaboration. Les résultats obtenus pour la désintégration ββ2ν du ¹ººMo vers l'état fondamental (gs) et excité (0₁⁺) du ¹ººRu sont T1/2(ββ2ν,gs)=(7,05±0,01(stat)±0,54(syst)).10¹⁸ ans et T1/2(ββ2ν,0₁⁺)=(6,15±1,1(stat)±0,78)).10²º ans. Ces résultats sont compatibles avec les résultats publiés par la collaboration. Quant à la désintégration ββ0ν(0₁⁺), ce travail permet d'obtenir un temps de demi-vie de T1/2(ββ0ν, 0₁⁺)>2,6.10²³ ans, améliorant significativement les derniers résultats publiés. De plus ces méthodes ont aussi permis de présenter un nouveau modèle de bruit de fond de l'expérience, plus exhaustif. Le second but de ce travail a été de mesurer les erreurs systématiques du calorimètre de NEMO3 dues, entre autres, à la longueur d'onde des systèmes d'étalonnage du détecteur. Ce travail a été réalisé notamment à l'aide d'un banc de test basé sur des DEL. Ce banc a aussi permis de contribuer au développement du calorimètre de SuperNEMO, particulièrement au travers de mesures de linéarité et de caractéristiques temporelles des PM destinés au démonstrateur de l'expérience.

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.

CUORE est la plus grande expérience qui recherche la double désintégration bêta sans neutrino avec des bolomètres de TeO₂. La découverte de cette transition nucléaire aurait des conséquences décisives sur la scène actuelle de la physique. Les questions suivantes trouveraient une réponse : pourquoi la matière est-elle dominante dans l’Univers? Quelle est la masse du neutrino? Le neutrino est il un particule de Majorana ou de Dirac? Ce travail présente deux approches différentes pour l’amélioration de la sensibilité de CUORE en vue de sa prochaine phase : CUPID. Dans la première partie de ce travail, une étude du modèle thermique pour les bolomètres équipés avec des NTDs est présentée dans le but de mieux comprendre la réponse des détecteurs de CUORE. Les bolomètres sont des détecteurs extraordinaires utilisés pour un grand nombre d’applications en raison de leurs performances remarquables, mais leur modélisation et leur simulation sont loin d’être complètement comprises. Deux mesures ont été effectuées pour évaluer expérimentalement deux paramètres du modèle thermique : la conductance de la colle et celle entre les électrons et les phonons. Dans la deuxième partie de ce travail, la possibilité de détecter la faible lumière Cherenkov émise par le TeO₂ est étudiée à fin de rejeter des événements alpha, le fond principal de l’expérience CUORE. Le défi consiste dans la détection d’un signal de lumière de 100 eV à moyen d’un détecteur équipé avec un NTD qui a normalement un bruit de l’ordre de 100 eV. Cette question peut être résolue grâce à l’effet Neganov-Trofimov-Luke (NTL) qui a permis de baisser le seuil du détecteur de lumière et d'améliorer son rapport signal-sur-bruit. Cet effet exploite la présence d’un champ électrique pour amplifier les signaux thermiques des bolomètres. Le rejet complet du fond alpha a été prouvé avec un photo-bolomètre amélioré par l’effet NTL et couplé à un bolomètre de TeO₂ comme ceux utilisés par CUORE. Une solution convaincante pour le rejet de fond alpha a été démontrée en vue de l’expérience CUPID. / CUORE is the first tonne-scale experiment searching for the neutrinoless double beta decay with TeO₂ bolometers. The discovery of this nuclear transitionwould have decisive consequences on the present physics scene. The following questions would find an answer: why is matter dominant in the Universe? which is the neutrino mass? has the neutrino a Majorana or a Dirac nature? This work presents two different approaches for the enhancement of the CUORE sensitivity with a view to its upgrade: the CUPID experiment. In the first part, a study of the thermal model describing NTD-based bolometers is presented with the objective to achieve a better comprehension of the response of the CUORE detectors. Bolometers are amazing detectors used for a large number of applications because of their impressive high performance, but their modelisation and simulation is far to be completely understood. Two measurements have been performed for an experimental evaluation of two thermal-model parameters: the glue and the electron-phonon conductances. In the second part, the possibility to detect the tiny Cherenkov light emitted by TeO₂ to reject alpha events — the main background of the CUORE experiment — is studied. The challenge consists in the detection of a 100-eV light signal with a NTD-based light detector that usually is characterised by a baseline noise of the order of 100 eV. This issue is solved with the employment of the Neganov-Trofimov-Luke (NTL) effect to lower the energy threshold of the light detector and improve its signal-to-noise ratio. This effect exploits the presence of an electric field to amplify bolometric thermal signals. The full rejection of the alpha background has been proved with one NTL assisted photo-bolometer coupled to a CUORE-size TeO₂ bolometer. A convincing solution for the alpha background rejection has been demonstrated with a view to the CUPID experiment.

Aujourd'hui, l'énergie nucléaire représente une partie non-négligeable du marché énergétique mondial, très probablement vouée à croître dans les prochaines décennies. Les réacteurs du futur devront notamment répondre à des critères supplémentaires économiques mais surtout de sûreté, de non-prolifération, de gestion optimisée du combustible et d'une gestion responsable des déchets nucléaires. Dans le cadre de cette thèse, des études concernant la non-prolifération des armes nucléaires sont abordées, dans le cadre de la recherche et développement d'un nouvel outil potentiel de surveillance des réacteurs nucléaires ; la détection des antineutrinos des réacteurs. En effet, les propriétés de ces particules pourraient intéresser l'Agence Internationale de l'Energie Atomique (AIEA) en charge de l'application du Traité de non-prolifération des armes nucléaires. L'AIEA encourage ainsi ses états membres à mener une étude de faisabilité. Une première étude de non-prolifération est réalisée avec la simulation d'un scénario proliférant utilisant un réacteur de type CANDU et de l'émission en antineutrinos associée. Nous en déduisons une prédiction de la sensibilité d'un détecteur d'antineutrinos de taille modeste à la diversion d'une quantité significative de plutonium. Une seconde étude est réalisée dans le cadre du projet Nucifer, détecteur d'antineutrinos placé auprès du réacteur de recherche OSIRIS. Nucifer est un détecteur d'antineutrinos dédié à la non-prolifération à l'efficacité optimisée conçu pour être un démonstrateur pour l'AIEA. La simulation du réacteur OSIRIS est développée ici pour le calcul de l'émission d'antineutrinos qui sera comparée aux données mesurées par le détecteur ainsi que pour caractériser le bruit de fond important émis par le réacteur détecté dans Nucifer. De façon générale, les antineutrinos des réacteurs sont émis lors des décroissances radioactives des produits de fission. Ces décroissances radioactives sont également à l'origine de la puissance résiduelle émise après l'arrêt d'un réacteur nucléaire, dont l'estimation est un enjeu de sûreté. Nous présenterons dans cette thèse un travail expérimental dont le but est de mesurer les propriétés de décroissance bêta de produits de fission importants pour la non-prolifération et la puissance résiduelle des réacteurs. Des premières mesures utilisant la technique de Spectroscopie par Absorption Totale (TAGS) ont été réalisées auprès du dispositif de l'Université de Jyväskylä. Nous présenterons la technique employée, le dispositif expérimental ainsi qu'une partie de l'analyse de cette expérience.

Aujourd’hui, l’énergie nucléaire représente une partie non-négligeable du marché énergétique mondial, très probablement vouée à croître dans les prochaines décennies. Les réacteurs du futur devront notamment répondre à des critères supplémentaires économiques mais surtout de sûreté, de non-prolifération, de gestion optimisée du combustible et d’une gestion responsable des déchets nucléaires. Dans le cadre de cette thèse, des études concernant la non-prolifération des armes nucléaires sont abordées, dans le cadre de la recherche et développement d’un nouvel outil potentiel de surveillance des réacteurs nucléaires ; la détection des antineutrinos des réacteurs. En effet, les propriétés de ces particules pourraient intéresser l’Agence Internationale de l’Energie Atomique (AIEA) en charge de l’application du Traité de non-prolifération des armes nucléaires. L’AIEA encourage ainsi ses états membres à mener une étude de faisabilité. Une première étude de non-prolifération est réalisée avec la simulation d’un scénario proliférant utilisant un réacteur de type CANDU et de l’émission en antineutrinos associée. Nous en déduisons une prédiction de la sensibilité d’un détecteur d’antineutrinos de taille modeste à la diversion d’une quantité significative de plutonium. Une seconde étude est réalisée dans le cadre du projet Nucifer, détecteur d’antineutrinos placé auprès du réacteur de recherche OSIRIS. Nucifer est un détecteur d’antineutrinos dédié à la non-prolifération à l’efficacité optimisée conçu pour être un démonstrateur pour l’AIEA. La simulation du réacteur OSIRIS est développée ici pour le calcul de l’émission d’antineutrinos qui sera comparée aux données mesurées par le détecteur ainsi que pour caractériser le bruit de fond important émis par le réacteur détecté dans Nucifer. De façon générale, les antineutrinos des réacteurs sont émis lors des décroissances radioactives des produits de fission. Ces décroissances radioactives sont également à l’origine de la puissance résiduelle émise après l’arrêt d’un réacteur nucléaire, dont l’estimation est un enjeu de sûreté. Nous présenterons dans cette thèse un travail expérimental dont le but est de mesurer les propriétés de décroissance bêta de produits de fission importants pour la non-prolifération et la puissance résiduelle des réacteurs. Des premières mesures utilisant la technique de Spectroscopie par Absorption Totale (TAGS) ont été réalisées auprès du dispositif de l’Université de Jyväskylä. Nous présenterons la technique employée, le dispositif expérimental ainsi qu’une partie de l’analyse de cette expérience. / Today, nuclear energy represents a non-negligible part of the global energy market, most likely a rolling wheel to grow in the coming decades. Reactors of the future must face the criteria including additional economic but also safety, non-proliferation, optimized fuel management and responsible management of nuclear waste. In the framework of this thesis, studies on non-proliferation of nuclear weapons are discussed in the context of research and development of a new potential tool for monitoring nuclear reactors, the detection of reactor antineutrinos, because the properties of these particles may be of interest for the International Agency of Atomic Energy (IAEA), in charge of the verification of the compliance by States with their safeguards obligations as well as on matters relating to international peace and security. The IAEA encouraged its member states to carry on a feasibility study. A first study of non-proliferation is performed with a simulation, using a proliferating scenario with a CANDU reactor and the associated antineutrinos emission. We derive a prediction of the sensitivity of an antineutrino detector of modest size for the purpose of the diversion of a significant amount of plutonium. A second study was realized as part of the Nucifer project, an antineutrino detector placed nearby the OSIRIS research reactor. The Nucifer antineutrino detector is dedicated to non-proliferation with an optimized efficiency, designed to be a demonstrator for the IAEA. The simulation of the OSIRIS reactor is developed here for calculating the emission of antineutrinos which will be compared with the data measured by the detector and also for characterizing the level of background noises emitted by the reactor detected in Nucifer. In general, the reactor antineutrinos are emitted during radioactive decay of fission products. These radioactive decays are also the cause of the decay heat emitted after the shutdown of a nuclear reactor of which the estimation is an issue of nuclear safety. In this thesis, we present an experimental work which aims to measure the properties of beta decay of fission products important to the non-proliferation and reactor decay heat. First steps using the technique of Total Absorption Gamma-ray Spectroscopy (TAGS) were carried on at the radioactive beam facility of the University of Jyvaskyla. We will present the technique used, the experimental setup and part of the analysis of this experiment.

L'expérience NEMO3 était dédiée à la recherche de la désintégration ββ0ν à l'aide de diverses sources d'isotopes de désintégration double bêta (principalement ¹ººMo, ⁸²Se, ¹¹⁶Cd et ¹³ºTe pour un total d'environ 10 kg). Le détecteur était localisé dans le Laboratoire souterrain de Modane, à mi-parcours du tunnel du Fréjus. Cette expérience a permis de démontrer que la technologie "tracko-calo" est très compétitive et a de plus offert de nouveaux résultats pour la recherche des désintégrations ββ2ν et ββ0ν. Par ailleurs, elle a ouvert la voie pour son successeur SuperNEMO, dont le but est d'atteindre 100 kg de ⁸²Se (pour une sensibilité de 10²⁶ années). Le but principal de cette thèse a été de mesurer le temps de demi-vie des désintégrations ββ2ν et ββ0ν du ¹ººMo vers les états excités 0₁⁺ du ¹ººRu à l'aide des données totales de NEMO3, avec de nouvelles méthodes d'analyse et un développement du programme d'analyse de la collaboration. Les résultats obtenus pour la désintégration ββ2ν du ¹ººMo vers l'état fondamental (gs) et excité (0₁⁺) du ¹ººRu sont T1/2(ββ2ν,gs)=(7,05±0,01(stat)±0,54(syst)).10¹⁸ ans et T1/2(ββ2ν,0₁⁺)=(6,15±1,1(stat)±0,78)).10²º ans. Ces résultats sont compatibles avec les résultats publiés par la collaboration. Quant à la désintégration ββ0ν(0₁⁺), ce travail permet d’obtenir un temps de demi-vie de T1/2(ββ0ν, 0₁⁺)>2,6.10²³ ans, améliorant significativement les derniers résultats publiés. De plus ces méthodes ont aussi permis de présenter un nouveau modèle de bruit de fond de l'expérience, plus exhaustif. Le second but de ce travail a été de mesurer les erreurs systématiques du calorimètre de NEMO3 dues, entre autres, à la longueur d'onde des systèmes d’étalonnage du détecteur. Ce travail a été réalisé notamment à l'aide d'un banc de test basé sur des DEL. Ce banc a aussi permis de contribuer au développement du calorimètre de SuperNEMO, particulièrement au travers de mesures de linéarité et de caractéristiques temporelles des PM destinés au démonstrateur de l'expérience. / The NEMO3 experiment was researching the ββ0ν decay by using various sources of double beta decay isotopes (mainly ¹ººMo, ⁸²Se, ¹¹⁶Cd and ¹³⁰Te for about 10 kg in total). The detector was located in the “Laboratoire Souterrain de Modane”, in the halfway point of the Frejus tunnel. This experiment demonstrated that the "tracko-calo" technology is really competitive and, in addition, it gives new results for the ββ2ν and the ββ0ν decay research. Moreover it opened a new way for its successor SuperNEMO, which aim is to reach a mass of 100 kg of ⁸²Se (for a sensitivity of 10²⁶ years). The main goal of the thesis is to measure the ββ2ν and ββ0ν decay of the ¹ººMo to the excited state 0₁⁺ of the ¹ººRu thanks to the whole NEMO3 data, with new original methods of analysis and through the development of the collaboration analysis software. The results obtained for the ground states (gs) and excited states ββ2ν of the ¹ººMo are T1/2(ββ2ν,gs)=(7,05±0,01(stat)±0,54(syst)).10¹⁸ years and T1/2(ββ2ν, 0₁⁺)=(6,15±1,1(stat)±0,78)).10²º years. Those results are compatibles with the last published ones by the collaboration. For the ββ0ν(0₁⁺), this work gave a half-life time of T1/2 (ββ0ν, 0₁⁺)>2,6.10²³ years, improving significantly the last published results. Furthermore those methods also allowed to present a new and more exhaustive background noise model for this experiment. The second point of this work was to measure the systematics errors of the NEMO3 calorimeter, among others, due to the wavelength of the NEMO3 calibration systems. This work was done using a new test bench based on LED. This bench also allowed to contribute to the development of the SuperNEMO calorimeter, especially in the time characteristic and the energy linearity measurement of the PMT intended to the demonstrator of the experiments.

Durant la dernière décennie, les études de la décroissance bêta des isotopes 69,71,73Cu ont mis en évidence le net abaissement de l'orbitale proton 1f5/2 lors du remplissage de l'orbitale neutron1g9/2. Ce phénomène peut être interprété comme le résultat des forces tensorielles entre ces orbitales proton et neutron. Un argument similaire prédit l'affaiblissement du gap N=50 quand on s'approche du noyau 78Ni du fait de l'attraction entre les configurations 1g9/2 et1d5/2 avec l'orbitale 1f5/2 et de la répulsion entre les états 1g7/2 et 1f5/2. Ainsi, les noyaux au voisinage de noyau 78Ni, sont les meilleurs candidats pour étudier l'évolution de la fermeture de couche N=50 et les autres aspects du modèle en couches à grand rapport N/Z. De telles études nécessitent des appareillages performants comme la combinaison d'un spectromètre de noyaux de recul de grande acceptance (PRISMA) couplé à un multidétecteur gamma à grande granularité, CLARA à Legnaro (Italie). Lors d'une récente expérience, des résidus exotiques ont été produits via des réactions profondément inélastiques entre un faisceau de 82Se (Elab = 515 MeV) et une cible d'Uranium. Je me suis principalement penchée sur les systématiques des isotopes de Ge et Zn. Dans le but de compléter ces données, une expérience de décroissance bêta, réalisée auprès d'ISOLDE au CERN, des isotopes impairs riches en neutrons de Cu a également été étudiée. Les schémas de décroissance pour les isotopes 71,73,75Cu ont été construit, pour la première fois pour l'élément le plus exotique. La complémentarité des données issues de ces deux mécanismes ouvre de nouvelles perspectives en vue de l'étude des noyaux riches en neutrons.

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.