Identification des évenements de surface dans le détecteurs bolomètriques massifs pour la recherche d’évenements rares dans les expériences CUORE et EDELWEISS

Identification of surface events in massive bolometers for the search for rare events in the CUORE and EDELWEISS experiments

• Auteur / Autrice : Claudia Nones
• Direction : Ettore Fiorini, Louis Dumoulin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris 11 en cotutelle avec Università degli studi di Milano - Bicocca
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière noire (astronomie)

Ondes électromagnétiques

Radioactivité

Mots clés libres

Fond radioactif

Bolomètre

Décroissance double bêta sans émission de neutrino

Résumé

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.