Méthodes innovantes pour le rejet du bruit de fond dans les expériences bolométriques de recherche de la désintégration double bêta sans émission de neutrino de prochaine génération

Innovative methods for background rejection in next-generation neutrinoless double beta decay bolometric experiments

• Auteur / Autrice : Antoine Armatol
• Direction : Claudia Nones
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 21/09/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département de physique des particules (Gif-sur-Yvette, Essonne) - Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (Orsay ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Corinne Augier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Drapier, Cécile Jollet, Karoline Schaeffner, Jean-Antoine Scarpaci
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Drapier, Cécile Jollet
• DOI : 10.70675/169894e7z68f6z462ez8004z64254d472e27

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bolomètres

Désintégration double bêta sans neutrino

Neutrinos

Détecteurs cryogéniques

Radioactivité

Mots clés libres

Bolomètres

Rejet du bruit de fond

Désintégration double beta sans neutrino

Physique du neutrino

Basse radioactivité

Bolometers

Background rejection

Neutrinoless double beta decay

Neutrino physics

Low radioactivity

Résumé

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.