Dissertationen zum Thema „Décroissance double beta sans neutrino“

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

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

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

Au sein des interrogations actuelles de la physique contemporaine, celles de la nature de la matière noire et des propriétés des neutrinos comptent parmi les plus importantes. L'observation d'événements rares permettrait alors de répondre à ces questionnements. Avec sa chambre à projection temporelle contenant une cible de xénon liquide de 5,9 tonnes et son très faible bruit de fond, XENONnT se positionne comme un concurrent sérieux dans la recherche des WIMP, une particule candidate de la matière noire. Par son grand volume, le contrôle de la stabilité spatiale du détecteur est indispensable. L'utilisation du Kr83m comme source de calibration interne est adapté à la gamme en énergie des reculs de WIMP et à la dimension de l'instrument. De plus, l'isotope 136 naturellement présent dans le xénon liquide est une source de double désintégration beta. Il permet, en association avec le bruit de fond faible de XENONnT, de participer à la recherche de la désintégration double beta sans émission de neutrino dont l'observation permettrait de déterminer que le neutrino est une particule de Majorana. L'énergie de cette désintégration étant plus grande que celle attendue pour la recherche de matière noire, une méthode de reconstruction spécifique de ces événements à plus haute énergie a dû être développé en utilisant les données de calibration au Th232
Among the current questions of contemporary physics, those of the nature of dark matter and the properties of neutrinos are among the most important. The observation of rare events would then make it possible to answer these questions. With its time projection chamber containing a 5.9-ton liquid xenon target and its very low background noise, XENONnT is a serious competitor in the search for WIMPs, a candidate particle for dark matter. Due to its large volume, the control of the spatial stability of the detector is essential. The use of Kr83m as an internal calibration source is suitable for the WIMP recoil energy range and the instrument size. In addition, the isotope 136 naturally present in liquid xenon is a source of double beta decay. It allows, in association with the low background noise of XENONnT, to participate in the search for neutrinoless double beta decay emission, this observation would allow determining that the neutrino is a Majorana particle. The energy of this decay being larger than the one expected for the dark matter search, a specific reconstruction method for these higher energy events had to be developed using the Th232 calibration data

La double désintégration β est un type de radioactivité rare. On en distingue deux types : la double désintégration β avec émission de neutrinos permise par le Modèle Standard, et sans émission de neutrinos, en revanche interdite. La mise en évidence de la double désintégration β sans émission de neutrino permettrait d'accéder à l'échelle de masse du neutrino et de connaître sa nature (particule de Dirac ou de Majorana). L'expérience NEMO recherche le processus de double désintégration β sans émission de neutrino à l'aide du détecteur NEMO3, qui renferme 10 kg d'isotopes radioactifs double β, dont 932 g de ⁸²Se. L'analyse des données de l'expérience relative au ⁸²Se consiste en la recherche d'un signal correspondant au processus interdit. La première partie de ce travail a consisté à définir un modèle du bruit de fond de l'expérience pour la recherche de la double désintégration bêta sans émission de neutrino. Le détecteur NEMO3 permet la mesure de ses propres bruits de fonds. Une étude détaillée des sources de bruit de fond de l'expérience est effectuée à partir des données enregistrées par le détecteur. La seconde partie de ce travail a permis de donner une limite supérieure sur la période de la double décroissance bêta sans émission de neutrino du ⁸²Se pour plusieurs mécanismes : l'échange de neutrinos légers de Majorana, l'interaction faible à courant droit et l'émission de Majoron.

Il y a 75 ans, Ettore Majorana montrait que le neutrino, seule particule élémentaire de matière de charge électrique nulle, pouvait théoriquement être identique a son antiparticule. Si tel est le cas, alors un phénomène naturel nouveau devrait apparaître pour quelques rares isotopes : leur double désintégration beta sans émission de neutrino (0). La signature expérimentale de ce processus est simple : l'observation de deux électrons émis par le noyau dont la somme de leur énergie correspond a l'énergie de transition. Mais ce processus, s'il existe, est infiniment rare. La principale difficulté dans cette recherche est donc instrumentale : réussir à développer un détecteur ultra basse radioactivité, sans aucun bruit de fond. J'ai choisi comme première partie de mon HDR, d'écrire une revue expérimentale relativement détaillée des différents projets, mon souhait étant de montrer pour chaque expérience, ses avantages et limitations en mettant l'accent sur les techniques utilisées pour supprimer les bruits de fond. Ayant été très impliqué dans l'expérience NEMO-3, et travaillant maintenant dans le nouveau projet SuperNEMO, j'ai davantage détaillé ces deux expériences. J'ai également détaillé les projets de bolomètres scintillants. C'est en effet une technique que j'avais particulièrement étudiée ces dernières années car elle me semble être très prometteuse. Le dernier chapitre de cette première partie est un résumé permettant au lecteur qui le souhaite une revue plus rapide des différents projets actuels. Depuis 5 ans, je développe un détecteur basse radioactivité, appelé BiPo, dont l'objectif est de mesurer la radiopureté en 238U et 232Th des futures feuilles sources émettrices double beta qui seront installées dans le détecteur SuperNEMO. J'ai donc choisi comme deuxième partie de mon HDR, de présenter ce détecteur et de résumer les différents résultats obtenus.

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

La recherche de la désintégration double bêta sans émission de neutrino (0ν2β) est un enjeu majeur de la physique contemporaine car son observation démontrerait que le neutrino est une particule de Majorana. La demi-vie du processus étant reliée à la masse effective de Majorana mββ, cela fournirait aussi une mesure de l'échelle de masse du neutrino et une information sur la hiérarchie de masse. L'expérience de prochaine génération CUPID vise à atteindre une sensibilité suffisamment grande pour explorer complètement l'espace des valeurs pour mββ dans le cas de la hiérarchie inversée de masse. Elle utilisera pour cela des bolomètres scintillants constitués d'un cristal de Li₂MoO₄ (LMO), contenant du ¹⁰⁰Mo comme isotope candidat à la 2β, couplé à un détecteur de lumière bolométrique en Ge. Grâce à la méthode de double mesure lumière/chaleur, CUPID va pouvoir rejeter le bruit de fond dû aux particules α qui est la principale source limitant la sensibilité de CUORE, sa prédécesseur, et vise à obtenir un bruit de fond de 10⁻⁴ coups/kg/keV/an (ckky) dans sa région d'intérêt (ROI). Si après CUPID la 0ν2β nous échappe toujours, il faudra pousser la réduction du bruit de fond à un niveau encore meilleur pour maintenant explorer le spectre des valeurs pour mββ possibles seulement dans le cas de la hiérarchie normale de masse. C'est dans ce contexte que s'inscrivent BINGO (Bi-Isotope 0ν2β Next Generation Observatory) et les travaux de cette thèse. Ce projet vise à tester des méthodes innovantes pour atteindre un bruit de fond de 10⁻⁵ ckky dans la ROI du ¹⁰⁰Mo mais aussi du ¹³⁰Te respectivement dans des cristaux de LMO et de TeO₂. Tout d'abord, un assemblage innovant des bolomètres réduisant la quantité de matériel passif autour des détecteurs a été développé et validé. Deuxièmement, une R&D sur l'implémentation d'un veto cryogénique actif composé de scintillateurs autour du volume contenant les bolomètres a été faite pour rejeter les événements γ provenant de l'extérieur par coïncidence. Une étude des potentiels candidats a mené à la sélection du BGO pour le matériel composant le scintillateur. Un test cryogénique d'un module prototype du veto contenant deux BGO est aussi reporté dans cette thèse. D'autres mesures relatives à la collection de lumière ont aussi été réalisées à température ambiante. Finalement, pour utiliser les cristaux de TeO₂ comme bolomètres scintillant, il est nécessaire de booster les performances des détecteurs de lumière. Pour cela, BINGO va utiliser des détecteurs utilisant l'effet de Neganov-Trofimov-Luke (NTL) pour amplifier le signal. Une campagne de R&D a été réalisée pour tester une nouvelle méthode de déposition des électrodes d'aluminium ainsi que différentes géométries pour celles-ci
The search for neutrinoless double beta decay (0ν2β) is a major challenge in contemporary physics, as its observation would demonstrate that the neutrino is a Majorana particle. The half-life of the process being related to the effective Majorana mass mββ, it would also provide a measure of the neutrino mass scale and information on its mass hierarchy. The next-generation experiment CUPID aims to reach a sensitivity high enough to explore completely the region of possible values for mββ in the case of the inverted hierarchy. It will use scintillating bolometers made of a Li₂MoO₄ (LMO) crystal, containing ¹⁰⁰Mo as the 2β candidate isotope, coupled to a Ge bolometric light detector. Thanks to the dual light/heat readout, CUPID will be able to reject the background due to α particles, which is the main source limiting the sensitivity of CUORE, its predecessor, and aims to achieve a background level of 10⁻⁴ counts/kg/keV/year (ckky) in the region of interest (ROI). However, if the 0ν2β still eludes us after CUPID, we will have to push the background reduction even further to explore the spectrum of values for mββ possible in the case of the normal mass hierarchy. It is in this context that BINGO (Bi-Isotope 0ν2β Next Generation Observatory) and the work of this thesis lay. This project aims to test innovative methods for achieving a background of 10⁻⁵ ckky in the ROI of ¹⁰⁰Mo but also of ¹³⁰Te, respectively embedded in LMO and TeO₂ crystals. Firstly, an innovative assembly of bolometers reducing the amount of passive material around the detectors has been developed and validated. Secondly, R&D on implementing a cryogenic active veto composed of scintillators around the volume containing the bolometers was done to reject external γ events by coincidence. A study of potential candidates led to the selection of the BGO for the material. A cryogenic test of a prototype veto module containing two BGOs is also reported in this thesis. Other light collection measurements have also been done at room temperature. Finally, to use TeO₂ crystals as scintillating bolometers, it is necessary to boost the performance of the light detectors. To achieve this goal, BINGO will operate light detectors using the Neganov-Trofimov-Luke (NTL) effect to amplify the signal. An R&D campaign has been conducted to test a new method for depositing aluminum electrodes and different electrode geometries

La double désintégration β est un type de radioactivité rare. On en distingue deux types : la double désintégration β avec émission de neutrinos permise par le Modèle Standard, et sans émission de neutrinos, en revanche interdite. La mise en évidence de la double désintégration β sans émission de neutrino permettrait d'accéder à l'échelle de masse du neutrino et de connaître sa nature (particule de Dirac ou de Majorana). L'expérience NEMO recherche le processus de double désintégration β sans émission de neutrino à l'aide du détecteur NEMO3, qui renferme 10 kg d'isotopes radioactifs double β, dont 932 g de 82Se. L'analyse des données de l'expérience relatives au 82Se consiste en la recherche d'un signal correspondant au processus interdit. La première partie de ce travail a consisté à définir un modèle du bruit de fond de l'expérience pour la recherche de la double désintégration bêta sans émission de neutrino. Le détecteur NEMO3 permet la mesure de ses propres bruits de fond. Une étude détaillée des sources de bruit de fond de l'expérience est effectuée à partir des données enregistrées par le détecteur. La seconde partie de ce travail a permis de donner une limite supérieure sur la période de la double décroissance bêta sans émission de neutrino du 82Se pour plusieurs mécanismes : l'échange de neutrinos légers de Majorana, l'interaction faible à courant droit et l'émission de Majoron. Mots-clés : Neutrino, décroissance double bêta, bruits de fond, radioactivité.

L'étude de la décroissance double bêta sans émission de neutrino (bb0nu) est aujourd'hui le seul moyen de déterminer quelle est la nature du neutrino. Dans le but de détecter cette décroissance qui prouverait la nature de Majorana du neutrino, le détecteur SuperNEMO est en phase de mise en route au Laboratoire Souterrain de Modane. A l'aide de sa technologie unique associant un calorimètre pour la mesure de l'énergie et du temps de vol des particules, et un trajectographe pour identifier les particules et reconstruire leur trajectoire, SuperNEMO vise une sensibilité sur la demi-vie de la décroissance bb0nu du 82Se par échange de neutrino léger V-A de 10^26 ans (soit une masse effective du neutrino de 50 meV). La technique permet aussi de rechercher le mécanisme de nouvelle physique mis en jeu et l'étude de décroissances vers les états excités du noyau fils.Ce travail de thèse a porté sur l'amélioration de la modélisation de la réponse du calorimètre de SuperNEMO en prenant en compte l'ensemble des processus non linéaires de production de lumière (Birks, Cerenkov) ainsi que l'effet de collection géométrique des photons dans les modules optiques (association d'un scintillateur plastique et d'un photomultiplicateur (PM)) du calorimètre. Cette étude basée sur des simulations optiques avec le logiciel GEANT4 a permis de produire des facteurs correctifs sur l'énergie déposée par les particules pour l'ensemble des modules optiques de SuperNEMO. L'impact de ces corrections sur la sensibilité du détecteur à la décroissance bb0nu du 82Se vers les états excités du noyau fils a ensuite été étudié. Des études de caractérisation de la réponse du calorimètre avec les premières données du détecteur ont également été réalisées, notamment sur l'évolution des gains des PM et leur uniformisation.En parallèle, des travaux de Recherche et Développement ont été menés dans le cadre du projet LiquidO afin d'étudier la faisabilité d'une nouvelle génération d'expériences double bêta à l'aide d'un nouveau scintillateur liquide opaque. Des premières mesures avec faisceau d'électrons complétées par des simulations optiques ont permis une première validation de cette nouvelle approche calorimétrique
The search for neutrinoless double-beta decay (bb0nu) is currently the only known way of determining the nature of the neutrino. The SuperNEMO detector aims to detect this decay, which would prove the neutrino's Majorana nature. It is currently in its commissioning phase at the Laboratoire Souterrain de Modane. Thanks to its unique technology - which combines a calorimeter to measure particles' energies and times of flight, and a tracker to identify particles and reconstruct their trajectories - SuperNEMO aims to reach a sensitivity of 10^26 years (corresponding to an effective neutrino mass of 50 meV) for the bb0nu half-life of 82Se, through V-A light neutrino exchange. This technique also allows a search for new physics mechanisms, and the study of decays to excited states of the daughter nucleus.The work documented in this thesis contributes to improved modelling of the SuperNEMO calorimeter's response, by taking into account nonlinear light-production effects (Birks, Cerenkov), as well as geometrical effects on the photon-collection efficiency of the optical modules (an assembly consisting of a plastic scintillator block and a photomultiplier tube (PMT)) that make up the calorimeter. This study, which is based on a GEANT4 optical simulation, generated correction factors to be used when reconstructing the energy deposited by particles in SuperNEMO's optical modules. In addition, the impact of these corrections on the detector's sensitivity to bb0nu from 82Se to excited states of its daughter nucleus was studied. Using SuperNEMO's initial data, characterisation studies of the calorimeter response were performed, with a focus on the evolution and equalisation of PMT gains.In parallel, R&D work on the LiquidO project was carried out, to study the feasibility of a next-generation double-beta decay experiment using a new opaque liquid scintillator. The first measurements with an electron beam, completed by optical simulations, allowed an initial validation of this new calorimetric approach

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

La recherche de la désintégration double bêta sans neutrino (0νββ) est cruciale pour faire progresser notre compréhension de la physique et explorer la physique au-delà du modèle standard. Cependant, cette recherche est incroyablement difficile en raison de l'extrême rareté de la désintégration, qui nécessite une interprétation approfondie et une dépendance aux contraintes expérimentales et aux modèles nucléaires théoriques. L'expérience PandaX-III est dédiée à la recherche de 0νββ dans 136-Xe. Il s'agit d'une chambre de projection temporelle (TPC) gazeuse à haute pression équipée de détecteurs Micromegas. Ce choix a été fait pour maximiser la capacité de détection des traces de particules et minimiser les fluctuations statistiques dans la résolution énergétique. L'un des principaux défis de la recherche d'événements 0νββ est la discrimination entre le signal et les événements de bruit de fond, qui contaminent la région d'intérêt (ROI). Le système de lecture par pistes des détecteurs Micromegas (une combinaison de 52 détecteurs forme un plan de lecture) permet la reconstruction 2D précise des trajectoires d'ionisation avec les informations de charge et de temps. Cela permet d'étudier l'énergie et la topologie des trajectoires d'électrons et, en conséquence, de distinguer le signal du bruit de fond. Pour supprimer la scintillation et ne se baser que sur le signal d'ionisation, le 136-Xe gazeux enrichi à 90% est mélangé avec 1% de triméthylamine (TMA) qui joue le rôle de "quencher". La résolution énergétique actuelle de l'expérience PandaX-III est de 3% pour l'énergie de 2457 keV de la désintégration de 136-Xe 0νββ, et devrait être améliorée à 1%. Cependant, plusieurs facteurs peuvent dégrader la résolution en énergie, tels que la présence de canaux morts, les inhomogénéités de gain dans les détecteurs Micromegas ou l'attachement des électrons dans la TPC. Ce travail de doctorat présente une étude de l'impact des canaux manquants sur les reconstructions d'énergie et de topologie dans l'expérience PandaX-III. Les résultats de la détermination de la charge du blob n'offrent pas la possibilité souhaitée de reconstituer la partie de son énergie qui aurait été perdue en raison des canaux manquants dans XZ à partir des projections YZ des traces d'événements reconstruites et vice versa. Cependant, l'étude a montré qu'il est possible d'utiliser des algorithmes d'apprentissage automatique pour atténuer l'impact des canaux manquants sur ls reconstruction de l'énergie et de la topologie. Un modèle de réseau neuronal convolutif (CNN) a été développé pour prédire l'énergie réelle des électrons à partir des données simulées collectées par les Micromegas avec des canaux manquants. Les résultats finaux montrent que le modèle CNN prédit l'énergie réelle des événements enregistrés par les Micromegas avec des canaux manquants avec une grande efficacité. Nous observons une amélioration de l'efficacité de détection du signal de Monte Carlo dans la ROI, qui passe de 69% à 89% après l'application du modèle CNN, par rapport à l'approche directe consistant à additionner les amplitudes des signaux provenant des Micromegas dont les canaux sont manquants. Un autre modèle CNN a également été utilisé pour classer les événements à deux électrons des événements à un seul électron dans les données de Monte Carlo affectées par des canaux manquants. Le modèle est capable de rejeter 99% des événements de bruit de fond tout en conservant une efficacité de 26% pour les signaux 0νββ dans la ROI. Les résultats de ce travail sont prometteurs et ouvrent la voie à d'autres études visant à améliorer la résolution en énergie et le rejet du bruit de fond dans l'expérience PandaX-III
The search for neutrinoless double-beta decay (0νββ) is crucial for advancing our understanding of physics and exploring physics beyond the Standard Model. However, this pursuit is incredibly challenging due to the decay's extreme rarity, requiring profound interpretation and reliance on experimental constraints and theoretical nuclear models. The PandaX-III experiment is dedicated to the search for 0νββ in 136-Xe. It is a high-pressure gaseous Time Projection Chamber (TPC) with Micromegas detectors. This design choice is made to maximize the particle track detection and discrimination 0νββ signal vs. gamma background capabilities. One of the main challenges of the 0νββ search is the discrimination between the signal and background events, which contaminate the region of interest (ROI). The strip readout system of the Micromegas detectors (a combination of 52 of them form a readout plane) allows for the precise 2D reconstruction of the ionization tracks together with the charge and time information. This allows for studying the electron tracks' energy and topology and ultimately discriminating the signal from the background. To suppress the scintillation light and rely only on the ionization signal, a 90% enriched 136-Xe is mixed with a 1% trimethylamine (TMA) quencher. The current energy resolution of the PandaX-III experiment is 3% for the 2457 keV energy of the 136-Xe 0νββ decay, envisioned to be improved to 1%. However, several factors can degrade the energy resolution, such as the presence of dead channels, gain inhomogeneities in the Micromegas detectors, or electron attachment in the TPC. This Ph.D work presents a study on the impact of missing channels on the energy and topology reconstructions in the PandaX-III experiment. The results of the Blob charge determination do not provide the desired possibility of reconstituting the part of the blob energy that would have been lost due to missing channels in XZ from YZ projections of reconstructed event tracks and vice versa. However, the study gave insight into employing machine learning (ML) algorithms to mitigate the impact of missing channels on energy and topology reconstructions. A Convolutional Neural Network (CNN) model was developed to predict the true energy of the electrons from the simulated data collected by the Micromegas with missing channels. The final results show that the CNN model predicts the true energy of the events recorded by the Micromegas with missing channels with a good energy resolution. We observe an improvement in the detection efficiency of the Monte Carlo 0νββ signal in the ROI from 69% to 89% after applying the CNN model, in comparison to the direct approach of directly summing amplitudes of the signals from the Micromegas with missing channels. Another CNN model was also used to classify the two-electron events from the single-electron events in the Monte Carlo data affected by missing channels. The model is capable of rejecting 99% of the background events while maintaining a 26% efficiency for the 0νββ signal in the ROI. The results of this work are promising and pave the way for further studies to improve the energy resolution and background rejection in the PandaX-III experiment

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

Les expériences actuelles de recherche d'évènements rares au moyen de bolomètres massifs comme la détection directe de WIMPs ou les décroissances double béta sans neutrino (0vBB) sont limitées par le bruit de fond radioactif. En particulier, les évènements ayant lieu près des surfaces des détecteurs réduisent sérieusement la sensibilité des expériences telles que EDELWEISS et CUORE. Deux méthodes ont été étudiées pour l'élimination active des évènements de surface. La première, développée initialement pour EDELWEISS, repose sur l'identification de ces évènements en couvrant les surfaces de couches minces thermométriques NbSi sensibles aux phonons hors d'équilibre. Elle a été appliquée aux détecteurs ionisation-chaleur en Ge pour EDELWEISS et à des bolomètres TeO2 (recherche de 0vBB dans 130Te) pour CUORE. La deuxième, développée pour CUORE, repose sur la réalisation de bolomètres composites: des détecteurs auxiliaires fins, collés sur les surfaces agissent comme des écrans actifs qui identifient les particules issues des évènements de surface. Même si le principe physique est différent, dans les deux cas, une étude de forme des impulsions permet une identification efficace des évènements à rejeter. Dans le cas de CUORE, une méthode d'identification des évènements alpha susceptibles de polluer le signal recherché a été développée. L'idée est de réaliser un bolomètre scintillant où la comparaison entre les signaux chaleur et lumière fournit un critère de rejet : une interaction alpha émet moins de lumière qu'une interaction beta ou gamma pour la même énergie. Une tentative pour augmenter la scintillation des cristaux de TeO2 par un dopage adéquat est décrite et analysée
The present limitation for experiments searching for rare events, such as WIMPs interactions and neutrinoless double beta decay (0vBB), is the radioactive background. In particular, near-surface events are the main problem for very sensitive searches based on the bolometric technique, such as EDELWEISS and CUORE. In this work, two techniques have been studied and developed for the active suppression of the surface background. The first approach, pioneered by the EDELWEISS collaboration, concerns the identification of surface events in Ge bolometers (for Dark Matter search) or TeO2 bolometers (for 0vBB search of 130Te) equipped with NbSi thin film thermometers acting as out-of-equilibrium phonons sensor. The second approach, for the moment applied only to TeO2 bolometers in the framework of the CUORE collaboration, consists in the realization of surface-sensitive composite bolometers in which thin auxiliary detectors act as active shields which reveal and identify surface-generated charge particles. In both cases, even if the physical mechanism is different, pulse shape analysis enables an effective rejection procedure. Finally, a further technique has been analysed which has the potential to recognize alpha particles against gamma or beta interactions. The idea is to realize a scintillating bolometer in which the comparison between the heat and the light signal for the same event allows to reject alpha particles, which emit less light than beta/gamma interactions with the same energy. In particular, the attempt to make TeO2 crystals reasonably good scintillators by proper doping is described and analysed

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.

L’expérience SuperNEMO est conçue pour la recherche de la double désintégration bêta (ββ) sans émission de neutrinos impliquant un neutrino de Majorana (ν ≡ ν̄) massif. Le module démonstrateur de l’expérience est actuellement en cours d’installation au Laboratoire Souterrain de Modane (LSM). La technique de détection utilisée, dite tracko-calo, permet la mesure en énergie des particules traversant le détecteur ainsi qu’une reconstruction complète de leur cinématique.Cette thèse présente la conception, la simulation et l’implémentation d’un système de déclenchement de l’électronique pour le module démonstrateur de SuperNEMO. Le but de ce système est de maximiser l’efficacité de détection pour des évènements ββ ainsi que pour des évènements dits de bruits de fond issus de la radioactivité naturelle tout en réduisant le taux d’acquisition pour des évènements d’autodéclenchement des détecteurs. Un ensemble d’algorithmes de reconnaissances de traces et d’association calorimètre–trajectographe a été développé et implémenté dans les cartes électroniques après validation par des simulations Monte-Carlo. Les objectifs de performance ont été atteints en prenant en compte les différentes contraintes (physique des détecteurs, électronique, temps réel) maximisant les efficacités de détection pour des évènements d’intérêt physique
The SuperNEMO experiment is designed for the neutrinoless double beta decay (ββ) research involving a massive Majorana neutrino (ν ≡ ν̄). The demonstrator module of the experiment is currently being installed at the Laboratoire Souterrain de Modane (LSM). The so-called tracko-calo detection technique allows the energy measurement of the particles passing through the detector and a complete reconstruction of their kinematics.This thesis presents the design, simulation and implementation of the electronics trigger system for the SuperNEMO demonstrator module. The purpose of this system is to maximize the detection efficiency for ββ events as well as for background events due to natural radioactivity while reducing the acquisition rate caused by spurious events. Pattern recognition and calorimeter-tracker association algorithms have been developed and implemented in electronic boards after validation by Monte-Carlo simulations. The performance targets have been reached, taking into account different constraints (physics of the detectors, electronics, real time) with maximized detection efficiency for events of interest

L'experience nemo se propose de tester la nature du neutrino et de mesurer sa masse effective en etudiant la double desintegration beta du molybdene-100. Dans ce type d'experience, la comprehension des differentes sources de bruit de fond est une composante essentielle de l'analyse, le signal eventuel etant de quelques evenements par an a la sensibilite d'un ev. Dans ce memoire, nous presentons les principaux aspects theoriques et experimentaux de la mesure du processus double beta sans neutrino avec une source de molybdene-100 placee dans le detecteur prototype nemo 2. L'objectif de cette etude est d'interpreter les quelques evenements detectes a haute energie dans le canal a deux electrons et d'apprecier la contribution specifique du fond engendre par le bismuth-214. Les evenements issus des desintegrations de ce radio-isotope ont ete selectionnes grace aux cascades beta-alpha vers le plomb-210. Ces evenements ont pu etre signes par la presence d'une trace retardee visible dans la chambre a fils et le signal obtenu s'est avere tres propre. Nous avons mis en evidence la diffusion du radon dans le detecteur et estime sa contribution a la pollution en bismuth-214. Une mesure de la contamination interne de la source a pu etre extraite de cette analyse ainsi que la pollution superficielle due a la diffusion du radon-222. A l'issue de cette etude, il apparait que, dans les conditions de nemo 2, ces polluants d'origines internes et externes induisent, a haute energie, un bruit de fond a deux electrons qui est du meme ordre de grandeur que celui attendu du processus double beta permis. En conclusion, les bruits de fond relatifs a la double-desintegration beta sans emission de neutrino sont bien compris dans l'experience nemo 2 et leur connaissance permet d'envisager une extrapolation a nemo 3

L'experience nemo3 a pour but la recherche de la double desintegration beta sans emission de neutrino qui est un processus a basse energie signant la nature massive et de majorana du neutrino. Cette experience, tres bas bruit de fond radioactif et accueillant 10kg d'isotopes enrichis, etudie principalement le 1 0 0mo. Installe au laboratoire souterrain de modane, nemo3 est un detecteur cylindrique compose d'une feuille source centrale tres mince, d'un detecteur de traces constitue de cellules de derives verticales en regime geiger, d'un calorimetre et d'un blindage approprie. Cette these est divisee en 2 parties differentes. La premiere partie est une etude complete des proprietes du detecteur de traces. Grace a un prototype de 9 cellules de derive, nous avons caracterise la reconstruction longitudinale et transverse de la position de l'ionisation creee par un laser. Puis, avec les 3 premiers modules en fonctionnement au lsm, nous avons utilise des sources externes de neutrons afin de mesurer la resolution transverse de la position de l'ionisation creee par des electrons de haute energie. Enfin, pour etudier la reconstruction, sur la feuille source, du vertex d'emission d'electrons, des sources radioactives de 2 0 7bi, produisant des electrons de conversion, ont ete utilisees a l'interieure des 3 modules. Dans la seconde partie de cette these, nous montrons que nous pouvons, grace au detecteur nemo3 lui-meme, mesurer le niveau de contamination, ultra faible en 2 0 8t1 provenant de la chaine radioactive naturelle du thorium, des sources. En etudiant les canaux electronphotons, il est possible d'isoler l'activite en 2 0 8t1 des sources en realisant une analyse de l'energie et des differents temps de vol des particules. Ainsi, apres seulement 2 mois de mesure, nemo3 est capable d'atteindre une sensibilite de 20bq/kg qui correspond a l'activite maximale en 2 0 8t1, autorisee pour les sources, fixee dans la proposition d'experience.

L'observation de la double desintegratin beta sans neutrino dans l'etat final d'un noyau impliquerait l'existence de neutrinos massifs de majorana. L'etude du #7#6ge par la technique calorimetrique des cristaux n'a pas mis en evidence cette desintegration. Cette these presente la mise au point d'une technique de calorimetrie utilisant des liquides organometalliques: une experience a tmge permettrait d'atteindre, avec de grand volumes une sensibilite 10 fois plus elevee, (t#1#/#2>10#2#5 annees), sur la demi-vie du #7#6ge. Dans cette these, nous presentons les resultats de la purification du tmge et ceux, obtenus dans une chambre a trois fils emplie de tmg, de mesures de resolution en energie d'electrons de #2#0#7bi. La valeur trouvee est de 3,6% (r. M. S. ) a 1 mev, resultat aussi obtenu avec du tms, ce qui correspond a une resolution de 2,6% (r. M. S. ) a l'energie de 2,041 mev de la desintegration recherchee. Les spectres en energie d'alphas d'une source d'#2#4#1am sont presentes et une efficacite de detection de 70% de bruit de fond lie au #2#1#4bi en est extraite. Le principe d'un prototype d'un litre pour mesurer les bruits de fond radioactifs est discute

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.