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.

Le neutrino est l'une des douze particules élémentaires du modèle standard. Il se caractérise par une charge électrique nulle et une masse extrêmement petite. De nombreuses expériences ont été conçues afin d'étudier les propriétés des neutrinos. Malgré les avancées effectuées jusqu'à présent, la nature du neutrino est, encore aujourd'hui, inconnue. La collaboration NEMO (Neutrino Ettore Majorana Observatory) étudie la double désintégration bêta sans émission de neutrino, phénomène radioactif très rare, afin de découvrir la nature du neutrino et de déterminer s'il est, ou non, identique à son antiparticule. Aujourd'hui, la collaboration NEMO construit un nouveau détecteur baptisé SuperNEMO. Le gaz présent dans le détecteur requiert une concentration en radon inférieur à 100 µBq/m3, afin de minimiser le bruit de fond radioactif. La purification du gaz est réalisée grâce l'adsorption du radon par des matériaux microporeux. Dans ce travail, nous avons développé au CPPM (Centre de Physique des Particules de Marseille) un banc de mesures pour quantifier l'adsorption du radon par divers matériaux, afin d'en tirer un modèle, et atteindre les conditions de pureté requise pour SuperNEMO. En parallèle avec l'étude d'adsorbants disponibles, et de manière à mieux explorer la problématique de l'adsorption du radon, nous avons synthétisé et étudié au CINaM (Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille) des composés polyaromatiques hydrocarbonés étoilés et des polymères aromatiques branchés ou dendritiques, incorporant du soufre, pour adsorber le radon. / The neutrino is one of the twelve elementary particles from the standard model. It is characterize by a neutral electrical charge and an extremely low mass. Many experiments have been set up in order to study the properties of neutrino. Despite scientific breakthrough, the nature of this particle is still unknown up to now. The NEMO collaboration is studying the neutrinoless double beta decay, a very rare radioactive process, to find out the nature of neutrino and to know if the neutrino is equivalent to the antineutrino. Today, the NEMO collaboration is building a new detector called SuperNEMO. The gas inside the detector need to have a concentration in radon below 100 µBq/m3, to minimize the radioactive background. The purification of this gas is achieved from the adsorption of radon by microporous material. In this work, we have developed in CPPM a bench test to measure the radon adsorption by various materials, in order to propose an adsorption model, and to reach the purity condition needed for SuperNEMO. Along with the study on adsorbents available and to better understand the radon adsorption, we synthetized and studied at CINaM star-shape polyaromatic hydrocarbons and branched or dendritic aromatic polymers, incorporating sulfur, to adsorb radon.

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 half-life of two-neutrino double beta decay of 150 Nd has been measured with data taken by the NEMO-3 experiment at the Modane Underground Laboratory. Using 1918.5 days of data recorded with 36.55 g of 150 Nd the half-life of this process is measured to be T2ν 1/2 = (8.99 ± 0.18 (stat.) ± 0.71 (syst.)) × 1018 y. SuperNEMO is the successor to NEMO-3 and will be one of the next generation of 0νββ experiments. It aims to measure 82 Se with an half-life sensitivity of 1026 yr corresponding to ⟨mββ⟩ < 50 - 100 meV. In order to achieve this target, a testing apparatus for the scintillator characterization has been developed and 140 scintillator blocks were characterized for the calorimeter of the SuperNEMO. It was determined that none of the blocks violate defined criteria of uniformity (± 3% for the energy resolution at 1 MeV) nor the criteria of energy resolution (< 16% at 1 MeV). The average uniformity of the blocks was found to be 0.7% and the average energy resolution of these blocks is 12% at 1 MeV. However, it was discovered during the visual tests that 23 out of 140 blocks contain more than 20 visible dust specks, thus alarming the possible contamination of these blocks with the natural radioactive isotopes.

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.

La thèse présentée est composée de divers projets que j’ai réalisés au cours de la phasede construction du démonstrateur SuperNEMO pendant la période 2015-2018.L’expérience SuperNEMO, située dans le laboratoire souterrain LSM, est conçue pourrechercher 0nbb de 82Se. Sa technologie, qui tire parti du suivi des particules, est uniquedans le domaine des expériences de double désintégration bêta. La reconstruction de latopologie des événements est un outil puissant pour la suppression de fond naturel.Une partie de la thèse est consacrée à un travail expérimental. J’ai participé à la préparationde modules optiques, partie intégrante du calorimètre SuperNEMO. Les résultats de lapréparation et des tests de 520 modules optiques sont présentés dans la thèse. En outre, jeprésente les résultats de la cartographie complète des sources 207Bi effectuée à l’aide de pixeldétecteurs. Je présente également des mesures précises de leurs activités pour lesquellesj’ai utilisé des détecteurs HPGe. Ces sources 207Bi seront utilisées pour l’étalonnage ducalorimètre. L’étude a joué un rôle clé dans le choix des 42 sources qui participeront àl’étalonnage du démonstrateur.Une autre partie de la thèse contient des projets axés sur les simulations de Monte Carlo.Dans un premier temps, j’ai étudié la précision de reconstruction de vertex réalisable parun algorithme de reconstruction développé pour l’expérience SuperNEMO. La précision estévaluée à l’aide de différentes méthodes statistiques dans diverses conditions (champ magnétique,énergie des électrons, angles d’émission, etc.). Les facteurs influençant la précision,en fonction des résultats obtenus, sont discutés.En 2018, j’ai également effectué les simulations du blindage contre les neutrons. Différentsmatériaux de blindage d’épaisseurs différentes ont été (dans la simulation) exposés àun spectre de neutrons réaliste provenant du LSM et les flux situés derrière le blindage ont étéestimés. Il a été démontré que les parties du détecteur en fer devraient capturer la grande majoritédes neutrons passant le blindage. Je discute également un problème de simulation desrayonnements gamma de désexcitation après capture de neutrons thermiques, apparaissantdans les logiciels standard. Je propose un nouveau générateur étendu capable de résoudre leproblème et de démontrer le concept dans un exemple analytiquement résolu.Avec le standard 0nbb, SuperNEMO sera capable de rechercher des modes plus exotiquesde la décroissance. Dans cette thèse, je présente les limites de demi-vie possibles queSuperNEMO peut atteindre pour 0nbb avec l’émission d’un ou deux Majorons. L’étudeest réalisée en fonction de l’activité de contamination interne par les isotopes 208Tl et 214Bi.La période de mesure après laquelle SuperNEMO devrait pouvoir améliorer les limites dedemi-vie de NEMO-3 (au cas où la décroissance ne serait pas observée) est estimée. / Presented thesis is composed of variety of projects which I performed within theconstruction phase of SuperNEMO demonstrator during the period 2015-2018.SuperNEMO experiment, located at underground laboratory LSM, is designed to searchfor 0nbb of 82Se. Its technology, which takes advantage of particle tracking, is unique inthe field of double beta decay experiments. Event topology reconstruction is powerful toolfor suppression of naturally-occurring background radiation.Part of the thesis is dedicated to experimental work. I took part in assembly and testingof optical modules - the integral part of SuperNEMO calorimeter. Results of tests afterassembly of 520 optical modules are presented in the thesis. Furthermore, I present resultsof complete mapping of 207Bi sources performed using pixel detectors. I also present precisemeasurements of their activities for which I used HPGe detectors. These 207Bi sources willbe used for calibration of the calorimeter. Study played a key role in choice of 42 sourceswhich were installed in the demonstrator and will take part in calibration of the demonstrator.Another part of the thesis contains projects focused on Monte Carlo simulations. In firstof them, I studied a vertex reconstruction precision achievable by reconstruction algorithmdeveloped for SuperNEMO experiment. Precision is evaluated using different statisticalmethods in variety of different conditions (magnetic field, energy of electrons, angles ofemission, etc.). Factors influencing the precision, based on the achieved results are discussed.In 2018, I also performed simulations of neutron shielding. Variety of shielding materialswith different thicknesses were (in the simulation) exposed to realistic neutron spectrumfrom LSM and the fluxes behind the shielding were estimated. It was shown that the partsof the detector made of Iron should be expected to capture vast majority of neutrons passingthe shielding. I also discuss a problem with simulation of deexcitation gamma radiation,emitted after thermal neutron capture, which arises in standard software packages. I proposednew extended generator capable to resolve the problem and demonstrate the conceptin analytically solvable example.Along with standard 0nbb, SuperNEMO will be capable of searching for more exoticmodes of the decay. In the thesis, I present possible half-life limits achievable by SuperNEMOfor 0nbb with emission of one or two Majorons. The study is performed asa function of activity of internal contamination from 208Tl and 214Bi isotopes. Measurementperiod after which SuperNEMO should be able to improve half-life limits of NEMO-3 (incase the decay would not be observed) are estimated. / Predkladaná dizertaˇcná práca je zložená z projektov rôzneho charakteru, na ktorýchsom pracoval vo fáze výstavby SuperNEMO demonštrátora v období rokov 2015-2018.Experiment SuperNEMO, umiestnený v podzemnom laboratóriu LSM, je zameraný nahl’adanie 0nbb v 82Se. Experiment je založený na technológii rekonštrukcie dráh elektrónovvznikajúcich v rozpade. Tento prístup je jedineˇcný v oblasti 0nbb experimentov.Rekonštrukcia topológie udalostí je silným nástrojom na potlaˇcenie pozad’ovej aktivity vyskytujúcejsa v laboratóriu, ako aj v konštrukˇcných materiáloch detektora.Cˇ ast’ práce je venovaná experimentálnym úlohám. Zúcˇastnil som sa na konštrukciioptických modulov - súˇcasti hlavného kalorimetra. Práca obsahuje výsledky prípravy atestovania 520 optických modulov, a takisto výsledky kompletného mapovania kalibraˇcných207Bi zdrojov vykonaného za pomoci pixelových detektorov. V tejto ˇcasti sú odprezentovanéaj výsledky merania ich aktivít za pomoci HPGe detektorov. Štúdia zohrávala kl’úˇcovúúlohu pri výbere 42 zdrojov, ktoré boli nainštalované do prvého SuperNEMO modulu, dodemonštrátora, a budú použité na jeho energetickú kalibráciu.ˇ Dalšiu ˇcast’ práce tvoria úlohy zamerané na Monte Carlo simulácie. Prvým z nich,je štúdia presnosti rekonštrukcie vertexu dvojitého beta rozpadu. Rozpadové vertexy súrekonštruované tzv. CAT (Cellular Automaton Tracker) algoritmom vyvinutým pre experimentSuperNEMO. V štúdii sú porovnávané viaceré spôsoby definovania presnosti rekonštrukcie.Presnost’ je skúmaná v závislosti na magnetickom poli v detektore, energii elektrónov,uhlov ich emisie atd’. Na základe výsledkov sú v štúdii pomenované faktory, ktoré ovplyvˇnujú presnost’ rekonštrukcie vertexov dvojitého beta rozpadu.V roku 2018 som takisto vypracoval štúdie neutrónového tienenia. Oˇcakávané toky neutrónovza tienením boli odhadnuté pomocou Monte Carlo simulácie. Kvalita odtienenia neutrónovz realistickéh pozad’ového spektra, nameraného v LSM, bola skúmana pre tri rôznemateriály rôznych hrúbok. Výsledky ukázali, že neutrónový tok prechádzajúci tienenímbude primárne zachytávaný na komponentoch detektora zhotoveného zo železa. V rámcištúdie neutrónového tienenia je takisto diskutovaný problém simulácie deexcitaˇcných gamakaskád, produkovaných jadrami, po záchyte termálnych neutrónov. Štandardné simulaˇcnésoftvérové balíˇcky využívajú generátory gama kaskád nepostaˇcujúce pre potreby štúdie.Navrhol som nový generátor, ktorý je schopný tieto problémy vyriešit’. Funkˇcnost’ generátorabola preukázaná na príklade jednoduchého systému.Okrem štandardného 0nbb je SuperNEMO experiment schopný hl’adat’ aj jeho exotickejšieverzie. V práci sa nachádzajú odhady limitov ˇcasu polpremeny 0nbb s emisiou jednéhoalebo dvoch Majorónov, dosiahnutel’né SuperNEMO demonštrátorom. Tieto limity sú študovanév závislosti na aktivite izotopov 208Tl a 214Bi, ktoré kontaminujú zdrojovú 82Se fóliu.Bola odhadnuá doba merania, za ktorú bude SuperNEMO schopný vylepšit’ limity ˇcasu polpremeny,pre dva spomenuté rozpadové módy, dosiahnutých experimentom NEMO-3.

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.

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

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.

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