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

>Magister Scientiae - MSc / Observation of neutrinoless double beta decay (0 ) is currently the only means by which one could establish the Majorana nature of neutrinos. Additionally, such an observation would determine the absolute neutrino mass scale. However, this requires that the matrix element for a given 0 decay process is accurately calculated. The objective of this project is to provide useful nuclear structure information that aim to improve future theoretical calculations for the nuclear matrix element (NME) of 136Xe 0 decay to 136Ba. We studied neutron pairing correlations in 134Ba using the 136Ba(p; t) reaction to stringently test the Bardeen-Cooper-Schrie er (BCS) approximation in the A = 136 mass region. This is because many theoretical calculations of the NME's for 0 decay are performed using the quasiparticle random phase approximation (QRPA), which uses the BCS approximation to describe the ground states of the even-even parent and daughter nuclei. Our results show a signi cant fragmentation of the neutron-pair transfer to excited 0+ states, implying a breakdown of the BCS approximation in this mass region.

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.

Neutrinoless Double Beta Decay(0𝜈𝛽𝛽) is one of the major research interests in neutrino physics. The discovery of 0𝜈𝛽𝛽 would answer persistent puzzles in the Standard Model of Elementary Particles. KamLAND-Zen is one of the leading efforts in the search of 0𝛽𝛽 and has acquired data from 745 kg of ^{136}Xe over 224 live-days. This data is analyzed using a Bayesian approach consisting of a Markov Chain Monte Carlo (MCMC) algorithm. The implementation of the Bayesian analysis, which is the focal point of this dissertation, yields a 90\% Credible Interval at T^{0𝜈}_{1/2} = 7.03 × 10^{25} years. Finally, a machine learning event classification algorithm, based on a spherical convolutional neural network (spherical CNN) was developed to increase the T^{0𝜈}_{1/2} sensitivity. The classification power of this algorithm was demonstrated on a Monte Carlo detector simulation, and a data driven classifier was trained to reject crucial backgrounds in the 0𝜈𝛽𝛽 analysis. After implementing the spherical CNN, an increase in T^{0𝜈}_{1/2} sensitivity of 11.0% is predicted. These early studies pave the way for substantial improvements in future 0𝜈𝛽𝛽 analyses.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第24073号 / 理博第4840号 / 新制||理||1692(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)教授 中家 剛, 教授 永江 知文, 准教授 WENDELL Roger / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

Les détecteurs NEMO-3 et SuperNEMO ont été conçus pour la recherche de décroissance double bêta sans émission de neutrinos. Ces détecteurs fournissent une approche unique dans la recherche des événements double bêta en combinant des mesures à la fois de trajectoires, de temps de vol et d'énergie. De plus, grâce à la séparation de la source double bêta du reste du système de détection, les détecteurs NEMO ont la possibilité d'étudier plusieurs isotopes double bêta avec une forte réjection du bruit de fond.Cette thèse présente plusieurs études réalisées dans le cadre de l'optimisation et la préparation du détecteur SuperNEMO, successeur de NEMO-3. La première concerne l'optimisation des performances du détecteur en fonction de la configuration mécanique de ses feuilles sources. La conclusion de cette étude est que les deux configurations considérées sont équivalentes. La seconde étude s'intéresse à l'un des principaux bruits de fond que constitue le radon dans la recherche des désintégrations double bêta. Cette étude a été concrétisée par le développement et l'implémentation d'un algorithme permettant l'identification et la mesure des événements provenant de ce bruit de fond. Le deuxième volet de cette thèse rapporte l'analyse des données de NEMO-3 pour rechercher les décroissances double bêta avec et sans émission de neutrino du Cd-116 vers les états excités du Sn-116. Ces décroissances n'ont jamais été observées à ce jour, et les limites obtenus sur les états excités (2+) et (0+) sont les premières utilisant le détecteur NEMO-3. / The NEMO-3 and SuperNEMO detectors have been designed to search for neutrinoless double beta decays. These detectors provide a unique approach combining a calorimetric and a tracking measurement of double beta events emitted by a separated isotopic source. This approach allows to search for neutrinoless double beta decays among several isotopes with good background rejection. This thesis presents many studies performed for the optimisation and the preparation of the SuperNEMO detector, successor of NEMO-3. The first study concerns the optimisation of the detector performances with respect to the design of the source foil. The conclusion of this study is that the two configurations considered are equivalent. The second study focuses on the radon which constitutes one of the main background to the search for double beta decays. In this study an algorithm has been developed and implemented to search for the alpha particle allowing the identification and the measurement of the radon events. The thesis is completed by an analysis of the NEMO-3 data to search for the double beta decay of Cd-116 via the excited state of Sn-116. These decays have never been observed up to date and the limits set on the excited states (2+) and (0+) are the first using the NEMO-3 detector.

The SNO+ experiment is a kilo-tonne scale liquid scintillator detector located at SNOLAB in Sudbury, Ontario, Canada. As the successor to the Sudbury Neutrino Observatory, SNO+ will use linear alkylbenzene (LAB) as the scintillator to study neutrinos. During the solar phase, ux measurements will be made of low energy neutrinos originating in the Sun. In another phase, 800 kg of tellurium will loaded into the scintillator to search for neutrinoless double beta decay. Measurements will also be made of neutrinos coming from nearby nuclear reactors and from inside Earth's mantle and crust. To enable these multiple physics goals, a sensitive calibration procedure must be carried out in order to fully understand the detector. The optical and energy responses of the detector will be measured with calibration sources deployed throughout the acrylic vessel. These sources must be connected to the observatory deck above the vessel by gas capillaries, optical bres, and signal wires housed in specially designed submersible umbilical cables. The design and fabrication of these umbilical cables is presented. Development work on a deployed radon calibration source will also be described. / Thesis (Master, Physics, Engineering Physics and Astronomy) -- Queen's University, 2014-05-30 15:56:19.906

Le détecteur NEMO3 a été mis en place au Laboratoire Souterrain de Modane, en 2003, afin de rechercher la décroissance double bêta sans émission de neutrinos (ββ0v). La particularité de cette expérience est d’avoir pu étudier plusieurs isotopes dont le 100Mo, le 82Se, le 96Zr ou le 150Nd. En plus d’avoir placé les meilleures limites sur la demi-vie du processus ββ0v pour ces isotopes, ce détecteur a permis des mesures compétitives de leurs désintégrations ββ2v. Le premier objectif de ce travail a été de mesurer les temps de demi-vie des décroissances ββ2v et ββ0v du 82Se vers l’état excité 0+2 du 82Kr grâce aux données de NEMO3. Ces processus n’ayant pas été observés, seules des limites ont été calculées. Les résultats obtenus pour les deux décroissances sont donc T2 1=2(82Se; 0+1 → 0+2) > 1,29 x 1021 ans et T01=2(82Se; 0+1→ 0+2) > 2,31 x 1022 ans, ce dernier étant la première limite sur cette décroissance. SuperNEMO, successeur de NEMO3, cherchera à atteindre une sensibilité de 1026 ans sur la demivie de la décroissance ββ0v du 82Se. Le Radon étant une source de bruit de fond pour la recherche de cette décroissance, sa concentration dans le détecteur doit être inférieure à 0,15 mBq.m-3. Pour parvenir à un tel niveau, l’émanation de Radon des composants de SuperNEMO doit être contrôlée.Le second objectif de cette thèse a donc été de développer deux dispositifs de mesure d’émanation de Radon. Ces deux systèmes, consistants chacun en une chambre d’émanation associée à un détecteur électrostatique, ont par la suite été étalonnés puis leurs bruits de fond ont été caractérisés. Grâce à leurs sensibilités de quelques mBq.m-3, ces dispositifs ont permis de mesurer les taux d’émanation de Radon de plusieurs matériaux destinés à la construction du détecteur SuperNEMO. / The NEMO3 detector was installed in the Laboratoire Souterrain de Modane, in 2003, in orderto search for neutrinoless double beta decay (ββ0v). The specificity of this experiment was the possibility to study several isotopes simultaneously. Among them were 100Mo, 82Se, 96Zr or 150Nd. In addition to setting the best limits on these isotopes half-lives for theββ 0v process, the detector performed precise measurements of their 2v ββdecays. The first point of this work was to measure the half-lives of 2v ββand 0v ββdecays of 82Se to the 0+2 excited state of 82Kr using NEMO3 data. Since those processes have not been observed, only limits were set. The resulting half-life limits are T2 1=2(82Se; 0+1 → 0+2) > 1:29 x 1021 yr and T01=2(82Se; 0+1 → 0+2) > 2:31 x 1022 yr. The latest is the first limit ever measured for this decay. SuperNEMO is the successor to NEMO3 and will aim to reach an half-life sensitivity of 1026 yr for the 0v ββdecay of 82Se. Radon being a source of background for the search of this decay, its concentration inside the detector must be less than 0:15 mBq.m-3. To reach this objective, Radon emanation from the detector componants has to be checked. The second goal of this thesis was thus to develop two setups able to measure Radon emanation. Those two devices, each consisting of an emanation chamber associated to an electrostatic detector, were calibrated before their backgrounds were characterized. With a sensitivity of a few mBq.m-3, these setups measured the Radon emanation rate of several materials which will be used for the construction of the SuperNEMO detector.

The inference of massive neutrino states through the observation of flavor oscillations boosted the importance of direct and indirect mass searches, including the search for the hypothesized neutrinoless double beta decay (0νββ-decay). Nowadays, the search for this ultra-rare nuclear transition is one of the most active research fields at the intersection of nuclear, particle and astroparticle physics. Its main and evident feature is the explicit violation of the total lepton number, which is an accidentally conserved quantity in the Standard Model of particle physics, and would prove the Majorana nature of neutrinos. This, in turn, would support the theoretical explanation of the origin of the observed baryon asymmetry in the universe through the process of leptogenisis and could shed light on the role of neutrinos in the early universe’s structure formation. For the theoretical description of the 0νββ-decay, nuclear structure effects play an important role as they may affect considerably the decay rate. These nuclear effects are summarized as the nuclear matrix elements (NMEs), containing information about the initial and final states of the involved atomic nuclei and the decay mechanism. Under the assumption of light Majorana neutrino exchange, the inverse half-life is proportional to the effective Majorana neutrino mass, a kinematic phase-space factor, the involved NMEs and the fourth power of the weak axial-vector coupling gA. The search for the 0νββ-decay is driven by experiments and an accurate description of the nuclear structure effects is essential to estimate the required sensitivity to cover a certain mass range. In order to match theoretical calculations and the results of β-decay and ββ-decay studies, there is a scientific discussion regarding quenching effects of gA in nuclear media. Different methods are being investigated to determine an effective gA at the energy scale of nuclear transitions. One of those recently proposed methods exploits the dependency of the spectrum-shape of highly forbidden β-decays on gA. An ideal candidate for such an investigation is the fourfold forbidden non-unique β-decay of Cd-113, which is the most prominent signal in the current stage of the COBRA experiment searching for 0νββ-decays with cadmium zinc telluride (CZT) solid state detectors. The detector material CZT acts as a semiconductor at room temperature and contains intrinsically several candidates for rare nuclear transitions. The experiment is located at the LNGS underground facility in Italy, which is shielded against cosmic rays by a mean rock coverage of about 1400 m. In the present demonstrator phase, it consists of 64 coplanar grid (CPG) detectors that are arranged in four layers of 4 x 4 crystals. In the scope of this thesis, conventional and novel prototype CPG-CZT detectors, which are the basis for an anticipated large-scale experiment, are characterized by evaluating homogeneous and localized γ-ray irradiation measurements. Moreover, a novel pulse-shape discrimination (PSD) technique is established, optimized and applied in the analysis of the physics data obtained with the demonstrator array. The PSD optimization is complemented by dedicated laboratory measurements with the aim to create a pulseshape library of signal-like single-site events and high-energy cosmic muon interactions for which an analytic reconstruction model has been developed. For the first time, the COBRA demonstrator’s full exposure from Sept.’11 to Nov.’19 is analyzed, including a detailed background characterization as well as an automatized data partitioning to identify periods with increased backgrounds. The main subject is the study of the Cd-113 β-decay’s spectrum-shape to address the quenching of gA in lowmomentum exchange nuclear processes. The analysis of the experimental data is carried out in the context of three nuclear frameworks and confirms the idea of a significantly quenched gA. Furthermore, the data are analyzed with respect to the 2νββ-decay of Cd-116 and the long-lived α-decay of Pt-190 as a localized contaminant in the CZT detectors’ electrode metalization. Finally, the prospects of a search for excited state transitions of the ββ-nuclides Cd-116 and Te-130 are studied with elaborate Monte-Carlo simulations. The analysis section is concluded with an estimate of the achievable 0νββ-decay half-life sensitivity for multiple ββ-nuclides given the full exposure of the COBRA demonstrator and the recently achieved upgrade to the COBRA eXtended DEMonstrator (XDEM).