Dissertations / Theses on the topic 'Désintégration double bêta 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 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

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 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

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.

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

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 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

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.

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 208-Tl, 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
The NEMO3 detector, installed in the Fréjus Underground Laboratory, is dedicated to the study of neutrinoless double beta decay : the observation of this process would sign the massive and Majorana nature of neutrino. The experiment consists in very thin central source foils (the total mass is equal to 10 kg), a tracking detector made of drift cells operating in Geiger mode, a calorimeter made of plastic scintillators associated to photomultipliers, a coil producing a 30 gauss magnetic field and two shields, dedicated to the reduction of the γ-ray and neutron fluxes. In the first part, I describe the implications of several mechanisms, related to trilinear R-parity violation, on ββ0v. The second part is dedicated to a detailed study of the tracking detector of the experiment : after a description of the different working tests, I present the determination of the characteristics of the tracking reconstruction (transverse and longitudinal resolution, by Geiger cell and precision on vertex determination, charge recognition). A last part corresponds to the analysis of the data taken by the experiment. On the one hand, an upper limit on the 208-Tl activity of the sources has been determined : it is lower than 68 mBq/kg, at 90% of convidence level. On the other hand, I have developed and tested on these data a method in order to analyse the neutrinoless double beta decay signal; this method is based on a maximum of likelihood using all the available information. Using this method, I could determine a first and very preliminary upper limit on the effective mass of the neutrino

L'étude de la double désintégration bêta sans neutrinos joue un rôle important dans plusieurs questions en physique des particules et cosmologie. Ce processus nucléaire hypothétique viole la conservation du nombre leptonique par deux unités et jusqu'à présent il est le seule moyen pratique pour dévoiler la nature du neutrino : sa détection implique forcement que neutrino et antineutrino sont la même particule. En outre, le taux de décroissance est sensible à la masse efficace de Majorana du neutrino, du coup à l'échelle absolue des valeurs propres de la masse et leur hiérarchie. La marque expérimentale de la DDB0ν est un pic monochromatique dans le spectre énergétique de la somme des deux électrons émis. Le but des expériences de prochaine génération est une sensibilité sur la masse efficace du neutrino de l'ordre de dizaines de meV, c'est-à-dire demi-vies de l'ordre de 10²⁷-10²⁸ années : en pratique, il s'agit de construire des sources de quelques centaines de kg d'isotope candidat, au moins, et les sonder par des détecteurs très efficients, tout en gardant le bruit de fond dans la région énergétique d'intérêt au niveau d'un coup/tonne/an. Les bolomètres luminescents sont une technique prometteuse vu leur excellentes résolutions énergétiques, haute efficacité de détection, ample choix pour les matériaux et extensibilité modulaire à grande échelle; de plus, grâce à la détection simultanée de chaleur et lumière produites par l'interaction des particules, il est possible de discriminer les contaminations α, dangereuse source de bruit aux énergies d'intérêt pour plusieurs noyaux candidats à la DDB0ν. Cette thèse a été effectuée dans le contexte de l'expérience LUMINEU : une expérience pilote qui a pour but la construction d'une expérience de prochaine génération basée sur les bolomètres scintillants en molybdate de zinc, pour l'étude de l'isotope candidat ¹⁰⁰Mo. En vue de la construction d'une expérience à grande échelle, il est nécessaire d'effectuer des caractérisations systématiques pour s'assurer des performances et de la reproductibilité des détecteurs et leurs composantes. La disponibilité d'installations expérimentales en surface, facilement accessibles, est souhaitable pour des tests routiniers : j'ai mené la plupart des expériences au CSNSM, où j'ai aussi travaillé à l'installation d'un nouvel cryostat à dilution basé sur la technologie du Pulse-Tube. Une partie de ma thèse a concerné l'étude de détecteurs bolométriques de lumière aux absorbeurs en germanium et thermomètres NTD (thermistors Neutron Transmutation Doped) : une structure standard pour LUMINEU a été établie et on a mesuré les performances des bolomètres telles que sensibilité, résolution énergétique, bruit de base et reproductibilité. Les résultats sont satisfaisants en vue d'un emploi dans une expérience avec bolomètres scintillants, bien que la configuration soit très sensible à la microphonie. En outre, j'ai testé avec succès des détecteurs bolométriques de lumière exploitants l'effet Neganov-Luke, qui augmente le rapport signal-bruit au niveau compatible avec la détection de la lumière Cherenkov pour la discrimination des événements. Une autre partie a vu la caractérisation des bolomètres scintillants en molybdate de zinc avec masse allant jusqu'à environ 300 g : couplés aux capteurs de lumière susmentionnés et lus par thermistors NTD, ils ont été refroidis en surface au CSNSM et en endroit souterrain à Modane, dans l'installation de l'expérience EDELWEISS pour la Matière Noire. Grâce à la détection simultanée de lumière et chaleur, les interactions des particules β/γ sont séparées des contaminations α. Les résultats démontrent que la caractérisation de bolomètres massifs, presque la taille cible des détecteurs finaux, est possible même en surface, en dépit du rayonnement cosmique. En outre, ces tests ont permis d'optimiser la compatibilité de l'installation de Modane avec les exigences des bolomètres scintillants pour la recherche de la DDB0ν
Neutrinoless Double Beta Decay (0νDBD) is regarded as an important key in the decryption of some hot astroparticle and cosmological enigmas: it violates lepton number by two units and it is currently the only known practical way to shed light on the neutrino nature, being possible only in case of a Majorana neutrino, identical to its antiparticle. Moreover, the 0νDBD rate is sensitive to the effective neutrino mass, so it would be useful to define the absolute neutrino mass scale and hierarchy. The experimental footprint of 0νDBD is a monochromatic peak in the sum energy spectrum of the two emitted electrons. Next-generation experiments aim at reaching a sensitivity on the effective neutrino mass of the order of ten meV, corresponding to half lives in the range 10²⁷-10²⁸ years: this means to be able to gather, at least, a few hundred kilograms of 0νDBD candidate isotope source and to efficiently scrutinize it with very sensitive detectors. Meanwhile, background levels in the energy region of interest of the 0νDBD signal should be lowered to less than one count/ton/y. Cryogenic luminescent bolometers are a promising technique for 0νDBD search, as they feature excellent energy resolutions, high detection efficiency, flexibility in the material choice and easy scalability to large modular experiments; furthermore, the simultaneous read-out of heat and light signals produced by particle interactions provides an active discrimination method against the dangerous α contaminations, populating the 0νDBD energy region of several interesting candidate isotopes. The work presented in this dissertation was carried out in the context of the LUMINEU project: a pilot experiment focused on zinc molybdate scintillating bolometers, to define the strategies for the construction of a next-generation experiment based on the 0νDBD candidate ¹⁰⁰Mo. In view of the construction of a large 0νDBD experiment, involving hundreds of modules, systematic cryogenic measurements have to be performed to ensure good performance and reproducibility of the detectors and their components. Aboveground facilities are preferred for routinary tests because of their easier accessibility: most of the tests were carried out at CSNSM, where I also worked on the setup of a new cryogenic apparatus, based on the Pulse-Tube technology. One part of my thesis work saw the study of bolometric light detectors based on germanium absorbers and Neutron Transmutation Doped (NTD) thermometers: a proper design was developed in view of LUMINEU and the devices were characterized in terms of sensitivity, energy resolution, baseline noise and reproducibility. The results are compatible with a 0νDBD search final experiment, though this detector configuration is very sensitive to vibrational noise. In addition, the feasibility of bolometric light detectors based on NTD thermometers and Neganov-Luke amplification was investigated, demonstrating that this technique can actually boost the signal-to-noise gain to a level compatible with event discrimination based on Cherenkov light detection. Another part of my work dealt with the test of scintillating zinc molybdate bolometers of mass up to ~300 g, coupled to the aforementioned light detectors and operated both in the aboveground facilities at CSNSM and underground at Modane, in the cryostat of the EDELWEISS Dark Matter search experiment. Good event discrimination capability was achieved: thanks to double read-out of heat and light, it is possible to identify α particles, the threatening background for 0νDBD interests, against β/γ interactions. The results proved the possibility to pre-characterize aboveground detectors of mass close to the one of a final experiment module, despite the high cosmic rays rates. Besides, the measurements opened the way to the mutual compatibility of the underground setup, conceived for another kind of experiment, and LUMINEU 0νDBD search detectors

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

Durant le siècle dernier, de nombreuses observations astrophysiques et cosmologiques ont montré la présence de matière noire dans l’Univers. Cette matière noire, non-lumineuse et interagissant peu avec la matière ordinaire, représente 80% de la masse de l’Univers et pourrait être composée de particules massives appelées WIMP. XENON1T est une expérience de détection directe de matière noire, utilisant une chambre à projection temporelle remplie de xénon liquide. Fonctionnant dans un environnement dit de bas bruit de fond, XENON1T fut conçu pour détecter le signal produit par la collision élastique des WIMP avec un noyau cible de xénon. Ce signal rare et de faible énergie nécessite des expériences dont la réponse est parfaitement connue et ce pour de longues périodes de prises de données. Des calibrations régulières utilisant une source interne de Kr-83m ont donc été mises en place et permettent de s’assurer de la stabilité du détecteur. Grâce son environnement de très bas bruit de fond, XENON1T permet également l’étude d’autres processus rares. En particulier, la recherche de décroissance double ß sans émission de neutrinos est une perspective possible grâce à la présence naturelle du Xe-136, un émetteur double ß-. La détection d’une telle décroissance pourrait permettre de déterminer la nature des neutrinos. Le signal recherché est un recul électronique dont l’énergie est grande par rapport à l’énergie attendue pour la recherche de matière noire. Une analyse dédiée a donc été mise en place afin de reconstruire ces évènements de hautes énergies. Cette analyse a permis d’atteindre la meilleure résolution en énergie, dans la région d’intérêt pour la recherche de décroissance double ß sans émission de neutrinos, pour des expériences utilisant du xénon liquide comme cible
In the last century, several astrophysical observations have provided strong evidence of the existence of dark matter in the Universe. This dark matter, non-luminous and weakly interactive with ordinary matter, is responsible for 80% of the Universe’s mass and could be composed of massive particles called WIMPs. XENON1T is a direct dark matter experiment. It consists of a dual-phase time projection chamber filled with liquid xenon and is operating in an ultra-low background environment. XENON1T was designed to detect the elastic WIMP-xenon nucleus scattering. The rare and low energy signals produced by such interaction ask for a well-known response of the detector and for a long period of data taking. Regular calibration, using an internal source of Kr-83m, were thus carried out to monitor the detector stability. Thanks to the ultra-low background environment, XENON1T allows studying other rare processes. Among them, the search for neutrinoless double ß decay, meant to probe the nature of neutrinos, is a possible perspective thanks to the natural presence of the Xe-136, a double ß decay isotope. The signal expected is an electronic recoil at higher energy with respect to dark matter searches. A dedicated analysis was carried out in order to reconstruct high energy events, allowing to reach the best energy resolution obtained in an experiment using liquid xenon in the region of interest for neutrinoless double ß decay

Les neutrinos sont les particules fondamentales de matière les plus abondantes dans l’univers. Ils ont été détectés pour la première fois en 1956. Depuis lors, plusieurs expériences ont tenté de percer leurs mystères. Ils n’interagissent que par interaction faible, ils sont donc difficiles à détecter. On sait aujourd’hui qu’ils ont une masse très faible, et qu’ils peuvent osciller entre trois saveurs leptoniques. Cependant, de nombreuses questions perdurent sur leur masse, leur nature ou encore l’existence de neutrinos stériles. Cette thèse appréhende ces deux dernières questions à l’aide de deux expériences différentes : SuperNEMO et SoLid. Le but de l’expérience SuperNEMO est de rechercher la nature du neutrino, c’est-à-dire s’il est sa propre anti-particule (particule de Majorana) ou non (particule de Dirac). Pour cela, on cherche à détecter des doubles désintégrations bêta sans émission de neutrinos car ce processus n’est possible que si les neutrinos sont des particules de Majorana. Des feuilles sources de l’émetteur double bêta ⁸²Se seront installées au centre du démonstrateur SuperNEMO qui est actuellement en construction au Laboratoire Souterrain de Modane. Ce détecteur est composé d’une chambre à fils pour détecter les traces des deux électrons émis lors des désintégrations et d’un calorimètre pour mesurer leurs énergies. La mesure de la double désintégration bêta sans émission de neutrinos est très compliquée car si ce processus existe, il est extrêmement rare. Par conséquent, un travail important est fait pour réduire le bruit de fond des rayons cosmiques ou de la radioactivité naturelle. Dans cette thèse, des simulations des différents bruits de fonds ont été faites pour comprendre leur impact sur la mesure de l’énergie des électrons issus de la double désintégration bêta du ⁸²Se. Il est montré que la radioactivité du verre des photomultiplicateurs ne sera pas négligeable mais qu’elle pourra être mesurée précisément dans certains canaux d'analyse. Des feuilles de cuivre ont aussi été simulées à la place des sources de ⁸²Se pour montrer qu’elles peuvent aider à contrôler le bruit de fond efficacement. Suite à ces travaux, il a été décidé d’installer des feuilles de cuivre parmi les sources de ⁸²Se. La deuxième expérience sur laquelle porte cette thèse est l’expérience SoLid qui cherche à prouver l’existence de neutrinos stériles. Plusieurs anomalies expérimentales pourraient être expliquées par des oscillations d'antineutrinos de réacteurs vers des neutrinos stériles. Le détecteur SoLid cherche à mettre en évidence un signal d'oscillation auprès du réacteur BR2 en Belgique en mesurant le flux d’antineutrinos en fonction de leur énergie et de la distance parcourue, grâce à une grande segmentation. La détection des antineutrinos de réacteur se fait par désintégration bêta inverse. L’interaction d’un antineutrino se traduit donc par l’émission en coïncidence d’un positron et d’un neutron. Les positrons sont détectés dans des cubes de plastique scintillant en PVT et les neutrons sont détectés par des feuilles de ⁶LiF:ZnS posées sur chacun des cubes. Un premier prototype, SM1, a montré l’intérêt de cette technologie notamment pour discriminer les bruits de fonds. Une partie des travaux de cette thèse a consisté à développer et exploiter un banc de test afin d'optimiser la collection de lumière du détecteur pour améliorer la résolution en énergie de SoLid. En testant différents matériaux et différentes configurations du détecteur, les mesures sur le banc de test ont montré qu’une résolution en énergie de 14 % pouvait être atteinte pour le détecteur SoLid (contre 20 % pour le prototype SM1). Les améliorations proposées ont été prises en compte dans la construction du détecteur SoLid qui s’est achevée en 2017. Une analyse des premières données du détecteur est également présentée pour montrer la sensibilité de SoLid à la détection des antineutrinos de réacteur
Neutrinos are the most abundant fundamental particles of matter in the Universe. They were detected for the first time in 1956. Since then, several experiments have tried to unveil their mysteries. They only interact weakly so they are difficult to detect. It is known that their masses are very low and that they can oscillate between three leptonic flavours. However, several questions remain about their masses, their nature or the existence of sterile neutrinos. This thesis addresses the last two questions with two different experiments: SuperNEMO and SoLid. The goal of the SuperNEMO experiment is to understand the nature of neutrinos, whether it is its own antiparticle (Majorana particle) or not (Dirac particle). This is investigated by searching for neutrinoless double beta decay as this process is possible only if neutrinos are Majorana particles. Source foils of the double beta emitter ⁸²Se are installed at the center of the SuperNEMO demonstrator which is being assembled at the Modane Underground Laboratory. This detector is composed of a wire chamber to detect the tracks of the two electrons emitted in the decays and a calorimeter to measure their energies. Neutrinoless double beta decay measurement is very difficult because if this process exists, it is extremely rare. An important work has thus to be done to decrease backgrounds from cosmic rays or natural radioactivity. In this thesis, different backgrounds have been simulated to understand their impact on the measurement of the energy of the two electrons from ⁸²Se double beta decay. It is shown that radioactivity from photomultipliers glasses will not be negligible but it will be possible to measure it precisely in dedicated channels. Copper foils have also been simulated in the source strips to demonstrate that they can help to control efficiently the backgrounds. Following this work, it has been decided to install copper foils in addition to ⁸²Se foils. The second experiment investigated in this thesis is the SoLid experiment which is looking for the existence of sterile neutrinos. Several experimental anomalies could be explained by oscillations of reactor antineutrinos toward sterile neutrinos. The SoLid detector is looking for an oscillation signal at the Belgian BR2 reactor by measuring the antineutrino flux as a function of their energy and their traveling distance thanks to a fine segmentation. The reactor antineutrinos are detected via inverse beta decay. The antineutrino interaction signal is thus the emission in coincidence of a positron and a neutron. Positrons are detected by plastic scintillator cubes in PVT and neutrons are detected by ⁶LiF:ZnS sheets placed on 2 faces of each cube. A first prototype, SM1, has demonstrated the advantages of this technology, particularly to discriminate backgrounds. A part of the work of this thesis consisted in developing and exploiting a test bench to optimize the light collection of the detector in order to improve the energy resolution of the SoLid detector. By testing different materials and configurations, the test bench measurement demonstrated that an energy resolution of 14 % can be achieved for SoLid phase I, while it was 20 % for the SM1 prototype. The improvements proposed have been taken into account for the SoLid detector construction that was achieved in 2017. An analysis of the first detector data is also presented to show SoLid sensitivity to reactor antineutrino detection

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'observation de la désintégration double bêta sans émission de neutrino (0ν2β) fournirait des informations essentielles sur la nature du neutrino et son échelle de masse absolue. Ce processus consiste en la transformation simultanée de deux protons en deux neutrons avec l'émission de deux électrons et aucun neutrino. Cette transition n'est possible que si les neutrinos sont égaux aux antineutrinos (nature Majorana du neutrino). Les recherches pour une désintégration à ce point rare représentent un défi technique complexe, car les expériences de prochaine génération visent des sensibilités de l'ordre de 10^27-10^28 ans afin d'avoir un potentiel de découverte élevé. Cette thèse est focalisée sur les projets LUMINEU et CUPID-Mo, développant la technique des bolomètres scintillants pour la recherche de désintégration 0ν2β avec le radio-isotope 100Mo.Les bolomètres sont des détecteurs cryogéniques mesurant l'énergie des particules déposées via un changement de température dans l'absorbeur. Si des cristaux scintillants sont utilisés comme absorbeurs, les signaux lumineux peuvent être enregistrés avec un bolomètre auxiliaire, sensible à l'énergie totale déposée par les photons de scintillation. Une telle configuration permet de séparer les particules α des γ/β, en rejetant le fond le plus difficile. La technologie des bolomètres scintillants est décrite en détail comme une option pour une future expérience cryogénique à l'échelle d'une tonne, appelée CUPID, qui peut couvrir complètement la région de masses de neutrinos dans la hiérarchie inversée
Neutrinoless double beta (0ν2β) decay is a process of great interest for neutrino physics: its observation would provide essential information on neutrino nature and its absolute mass scale. This process consists of the simultaneous transformation of two protons into two neutrons with the emission of two electrons and no neutrino, implying the violation of the total lepton number. Such transition is possible only if neutrinos are equal to antineutrinos (Majorana particles). The searches for such a rare decay are becoming a complicated technical challenge, as next generation of 0ν2β experiments aim at sensitivities of the order of half-life at 10^27-10^28 yr. This thesis is focused on LUMINEU and CUPID-Mo projects, developing the scintillating bolometers technique for 0ν2β decay search with 100Mo with Li2MoO4 crystals. Bolometers are cryogenic detectors measuring the deposited particle energy as a change of temperature in the absorber. The use of scintillating crystals allows to perform discrimination of α particles from γ/β ones due to different light output of these two particle types, rejecting the most challenging background. The scintillating bolometers technology is described in details as an option for a future ton-scale cryogenic experiment, named CUPID, which can completely cover the inverted hierarchy region of neutrino masses

Après une introduction à ce mémoire d'habilitation au chapitre 1, je rappelle l'état des lieux de nos connaissances en physique du neutrino au chapitre 2.
Je détaille ensuite dans le chapitre 3 les choix effectués pour la conception et la réalisation du détecteur NEMO 3, consacré aux études des processus de double désintaégration bêta. Les performances complètes du détecteur sont aussi rappelées, tant en terme d'identification des fonds, que pour l'ensemble des processus bêta bêta, ainsi que les moyens utilisés par la collaboration pour réduire d'un facteur dix le bruit de fond dû à la présence de radon dans le détecteur, le rendant ainsi négligeable. Ce chapitre, correspondant au "Technical Report" de l'expérience NEMO 3, est écrit en anglais et forme un ensemble complet destiné aux collaborateurs de l'expérience NEMO.
Je termine ce mémoire avec le chapitre 4, par une prospective à dix ans sur les futurs projets expérimentaux en physique de la double désintégration bêta, en insistant d'une part sur le projet SuperNEMO et le programme de R&D à réaliser en France au cours des trois prochaines années, et d'autre part sur la comparaison avec les expériences qui me semblent les plus prometteuses, comme GERDA ou CUORE, avec notamment l'étude de l'effet ds éléments de matrice nucléaires sur la mesure de la masse effective du neutrino.

Les résultats récents des expériences d'oscillations ont montré que le neutrino est une particule massive; jusqu'à présent la valeur absolue de sa masse reste inconnue, même si les expériences de cosmologie ou de mesure directe donnent des contraintes. D'autre part, comme le neutrino est le seul fermion qui n'est pas chargé électriquement, il peut être identique à son antiparticule, c'est-à-dire être une particule de Majorana. La recherche de la double désintégration bêta $\mathrm{\beta \beta 0 \nu}$ est actuellement la seule technique expérimentale susceptible de mettre en évidence le neutrino de Majorana. Le détecteur NEMO-3, qui recherche la double désintégration bêta du Molybdène 100 et du Sélénium 82, prend des données au Laboratoire Souterrain de Modane depuis février 2003. La première phase de prise de données a permis de mettre en évidence une contamination de la chambre à fils trop élevée en Bismuth 214. Afin d'éviter qu'une faible fraction du radon de l'air du laboratoire ne diffuse dans le détecteur, une tente a été installée autour de celui-ci et une installation de déradonisation de l'air permet d'appauvrir en radon l'air qui entre dans la tente. Le détecteur NEMO-3 peut mesurer pour chaque prise de données sa contamination interne en Bismuth 214; des modèles permettent de décrire comment le radon peut diffuser dans le détecteur, ou comment l'activité en radon de l' air du laboratoire peut varier lors d'une coupure de ventilation. Après installation de la tente et de l'installation de déradonisation de l'air, plusieurs hypothèses sont proposées pour expliquer la contamination résiduelle, sachant que compte-tenu de la longue demi-vie du Radon 222, l'analyse des désintégrations du Bismuth 214 ne permet pas de remonter avec certitude à l'origine du matériau où le radon émane. Enfin, les désintégrations du Bismuth 214 rendent possible un test global, sur lénsemble du détecteur et pour une prise de donnée assez longue, de l'étalonnage en énergie. La recherche de la double désintégration bêta est basée sur une méthode de maximum de vraisemblance, qui utilise l'ensemble des informations mesurées sur les événements à deux électrons par NEMO-3 : non seulement la somme des énergies des électrons, mais également leurs énergies individuelles et l'angle d'émission entre eux. Les distributions sont ajustées sur des simulations pour les signaux et les bruits de fonds; ensuite les contributions des bruits de fond autres que la $\mathrm{\beta \beta 2 \nu}$ sont fixées, grâce à des canaux dédiés de plus haute statistique. Après 2,6 ans de prises de données pour la période à teneur en radon réduite, aucun signal n'a été observé et les contraintes sur les demi-vies de $\mathrm{\beta \beta 0 \nu}$ sont : $$\mathrm{T_{1/2}^{\beta \beta 0 \nu,~} > 8,3~10^{23}~ann\acute{e}es (90\% CL)~^{100}Mo}$$ $$\mathrm{T_{1/2}^{\beta \beta 0 \nu,~} > 4,9~10^{23}~ann\acute{e}es (90\%CL)~^{82}Se}$$ L'utilisation de l'information sur les énergies individuelles et sur l'angle d'émission entre les électrons permet d'améliorer la sensibilité au processus de $\mathrm{\beta \beta 0 \nu}$ généré par les courants droits : $$\mathrm{T_{1/2}^{\beta \beta 0 \nu,~V+A} > 3,5 ~10^{23} ~years~ (90\% CL)~^{100}Mo}$$ $$\mathrm{T_{1/2}^{\beta \beta 0 \nu,~V+A} > 2,7~ 10^{23} ~years~ (90\% CL)~^{82}Se}$$

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

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

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

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.

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

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.

Le détecteur NEMO3 a été conçu pour l'étude de la double désintégration bêta et particulièrement pour la recherche de la double désintégration bêta sans émission de neutrino ($0\nu\beta\beta$). La sensibilité attendue pour la désintégration $0\nu\beta\beta$ est, en terme de la demi-vie de l'ordre de $10^(25)$~ans, en terme de masse effective du neutrino cela correspond à une sensibilité (0,3 -- 0,1)~eV. Le processus $0\nu\beta\beta$ représente aujourd'hui le test de la nature Majorana du neutrino le plus prometteur. Le détecteur a été construit au Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) en France par la collaboration internationale (France, Russie, République Tchèque, États-Unis, Royaume-Uni, Finlande et Japon). La prise de donnée a commencé en mai 2002 et continue actuellement. La masse de $^(100)$Mo dans le détecteur (7~kg) permet une mise en évidence de la double désintégration bêta avec émission de deux neutrinos ($2\nu\beta\beta$) du $^(100)$Mo vers l'état excité $0^+_1$ (canal eeN$\gamma$). Les simulations Monte-Carlo de l'effet et de tous les types de bruit de fond ont été effectuées pour définir un ensemble des critères de sélection appropriés. D'autre part des runs avec des sources du $^(208)$Tl et du $^(214)$Bi ainsi que des simulations Monte-Carlo de ces données ont montré que le seul bruit de fond significatif dans le canal eeN$\gamma$ vient du radon qui avait pénétré à l'intérieur de la chambre à fils de NEMO3. Les données expérimentales acquises de mai 2002 à mai 2003 ont été analysées pour déterminer le signal dû à la désintégration $2\nu\beta\beta$ du $^(100)$Mo vers l'état excité $0^+_1$ et le niveau de bruit de fond correspondant. Le résultat est donné sous la forme d'un intervalle de valeurs de la demi-vie au niveau de 95\% de confiance. Cela correspond à une mise en évidence du processus au niveau de confience de quatre écarts standards.

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'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

L’expérience Double Chooz, située sur le site de la centrale nucléaire de Chooz dans la région des Ardennes en France, étudie la disparition des antineutrinos. Le but principal de l’expérience est de mesurer avec une grande précision l’amplitude d’oscillation sin2 2θ13 des antineutrinos émis par les deux réacteurs de la centrale de Chooz. La précision de cette mesure dépend fortement d’une connaissance précise des taux et de la forme des spectres des bruits de fond qui contaminent la sélection finale des antineutrinos en particulier dans la gamme d’énergie où l’oscillation des neutrinos est attendue. Nous avons étudié dans la présente thèse le bruit de fond d’origine cosmique dans l’expérience Double Chooz. En effet, les muons cosmiques traversant les détecteurs ou interagissant dans le voisinage immédiat sont la principale source de bruit de fond observés dans l’expérience Double Chooz. Deux types de bruits de fonds sont analysés et présentes dans cette thèse : les neutrons rapides (FN) et la double capture de neutrons (DnC). Des techniques d’identification dédiées ont été développées pour chacun de ces bruits de fond et, par conséquent, les formes spectrales et les taux associés ont été́ déterminés. Les valeurs obtenues dans le cadre de ce travail servent de paramètres d’entrée dans le fit final d’où la valeur de θ13 est extraite. La dernière mesure publiée par la collaboration Double Chooz est sin2 2θ13 = 0.119 ± 0.016
The Double Chooz experiment is- a reactor antineutrino disappearance experiment located on the site of the Chooz nuclear power plant in the Ardennes region in France. The principal aim of the experiment is a high precision measurement of the oscillation amplitude sin2 2θ13 of the antineutrinos emitted from the two reactor cores of the Chooz power plant. The robustness and accuracy of this measurement depends strongly on a precise knowledge of the rates and spectral shapes of the backgrounds that contaminate the antineutrinos selection over the neutrino oscillation expected region. We have studied in the present thesis the muon induced background in the Double Chooz experiment. Indeed, cosmic muons crossing the detectors or interacting in the neighborhood constitute the main source of background events encountered in Double Chooz. Two distinct backgrounds analysis are presented in this thesis: fast neutrons (FN) and double capture of neutrons (DnC). Dedicated identification techniques have been developed for each of these backgrounds and, consequently, the associated spectral shapes and rates have been determined. The values obtained in this work serve as inputs in the final fit whence the θ13 value is extracted.The latest measurement released by the Double Chooz collaboration is sin2 2θ13 = 0.119 ± 0.016$