Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Désintégration double-Beta sans émission de neutrino“

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.

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 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 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 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

Le détecteur NEMO3, installé dans le Laboratoire Souterrain de Modane, a pour but l'étude de la double désintégration bêta sans émission de neutrinos, processus dont l'observation permettrait d'affirmer que le neutrino est une particule massive de Majorana. Ce détecteur est composé de feuilles sources, très fines, centrales, d'émetteur double bêta, représentant un total de 10 kg, d'un détecteur de traces constitué de cellules de dérive fonctionnant en régime Geiger, d'un calorimètre formé de scintillateurs plastiques associés à des photomultiplicateurs, d'une bobine fournissant un champ magnétique de 30 gauss et de deux blindages permettant de réduire les flux de neutrons et de photons. Dans la première partie de cette thèse, je décris les liens unissant certains mécanismes s'inscrivant dans le cadre d'une violation trilinéaire de la R-parité à la double désintégration bêta. La seconde partie, expérimentale, est dédiée à l'étude détaillée du détecteur de traces de l'expérience : après avoir décrit les différents tests de fonctionnement, je présente la détermination des caractéristiques de la reconstruction des traces traversant le détecteur (résolutions transverse et longitudinale, par cellule Geiger et précisions sur la détermination du vertex, reconnaissance de la charge). Une dernière partie correspond à l'analyse des données acquises par l'expérience. Une limite supérieure sur l'activité des sources en 208Tl, l'une des principales sources de bruit de fond, a ainsi pu être déterminée : elle est inférieure à 68 mBq/kg à 90% de niveau de confiance. Par ailleurs, j'ai mis au point et testé sur les données une méthode d'analyse du signal de double désintégration bêta sans émission de neutrinos, basée sur un maximum de vraisemblance utilisant toute l'information disponible : cela m'a permis de déterminer une première limite supérieure, très préliminaire, sur la masse effective du 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.

La mise en évidence de la décroissance double bêta sans émission de neutrino (ββ0ν), interdite par le Modèle Standard, permettrait de déterminer si le neutrino est une particule massive de Majorana (v=v̄ ). Pour cela, la collaboration NEMO a construit le détecteur NEMO3 qui sera sensible à une masse effective du neutrino d'environ 0,2 eV. Il est constitué d'une source émettrice ββ, d'une chambre à fils et d'un calorimètre formé de 1940 compteurs à scintillation permettant de mesurer l'énergie et le temps de vol des électrons. Pour une masse de 0,2 eV, le signal ββ0v correspondrait à la détection de quelques événements par an. Pour le mesurer, il est indispensable de connaître avec précision les étalonnages en énergie et en temps du calorimètre et de maîtriser toutes les sources de bruit de fond. La première partie de ce travail a consisté en l'étude du suivi quotidien des étalonnages du calorimètre par un système d'étalonnage relatif utilisant une lumière laser. Un programme permettant l'automatisation de l'étude des spectres laser et le calcul des coefficients de correction des étalonnages a été mis au point. Le comportement de l'ensemble du calorimètre a ainsi pu être caractérisé sur une durée de 23 jours. La deuxième partie de ce travail a porté sur l'étude de la contribution des neutrons et du rayonnement γ au bruit de fond de l'expérience. Les prises de données avec et sans le blindage de fer, avec et sans source de neutrons ont systématiquement été comparées avec les simulations. Le très bon accord entre l'expérience et les simulations nous a permis de conclure qu'avec les blindages γ et neutron et le champ magnétique, l'objectif fixé de 0 événement de bruit de fond d'origine externe à la source ββ sera atteint.

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