La nature du neutrino à travers l'étude des désintégrations double-bêta du Xénon 136 avec l'expérience PandaX-III

par Andrii Lobasenko

Projet de thèse en Physique des particules

Sous la direction de Damien Neyret.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat , en partenariat avec Département de physique nucléaire - DRF/IRFU (laboratoire) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 30-09-2020 .


  • Résumé

    La collaboration PandaX-III [1] se propose de déterminer si le neutrino est une particule de Majorana, c'est-à-dire sa propre antiparticule. Dans ce but cette collaboration internationale, à laquelle participe l'institut de recherche sur les lois fondamentales de l'univers (IRFU) du CEA Saclay, veut mettre en évidence dans le noyau de Xénon 136 des doubles désintégrations bêta sans émission simultanée de neutrino, où l'apparition de deux leptons (les deux électrons bêta) n'est pas compensée par l'émission de deux anti-neutrinos. Une telle découverte violerait le principe de conservation du nombre leptonique, en contradiction avec le Modèle Standard de la physique des particules, et fournirait une des trois conditions nécessaire pour expliquer l'asymétrie matière-antimatière observée dans l'univers. Les clés du succès de cette expérience de recherche d'événements rares sont l'utilisation d'une énorme quantité d'un noyau approprié (ici, jusqu'à une tonne de Xénon 136), un site expérimental profond protégé des rayons cosmiques et non radioactif, le laboratoire souterrain de Jinping (province du Sichuan, Chine), et une détection de très haute performance. Il est prévu à terme de construire cinq modules TPC de 200kg chacun de Xénon gazeux sous pression (TPC: chambres à projection temporelle permettant une reconstruction en 3D des trajectoires des particules). Les TPC seront dotées de détecteurs capables de mesurer l'énergie des deux électrons bêta avec une excellente précision. Le premier module TPC sera mis en service vers la fin 2020 avec une quantité légèrement réduite de 145kg de Xénon 136. Il permettra de reconstruire le parcours des deux électrons émis lors de la désintégration double-bêta afin d'une part de mesurer l'énergie initiale de ces électrons, et d'autre part de reconnaitre la topologie de leurs trajectoires et de les différencier des événements de bruit de fond gammas qui n'émettent qu'un seul électron. Ce module sera équipé de détecteurs gazeux Micromegas Microbulks [2] qui présentent une très bonne résolution en énergie et une excellente radio-pureté limitant la présence de bruits de fond gammas de contamination radioactive. L'électronique de lecture utilisera des amplificateurs AGET [3] développés à l'IRFU au CEA Saclay. Les différents laboratoires de la collaboration PandaX-III sont en train de finir le design et de produire les différentes éléments de l'expérience. Ceux-ci seront installés sur place au laboratoire souterrain Jinping au cours de l'année 2020. En parallèle les algorithmes de reconstruction des données des détecteurs sont en cours de développement à l'intérieur de l'environnement de reconstruction et d'analyse de données REST [4], afin d'optimiser la sélection des événements double-bêta par rapport aux bruits de fond gammas et la qualité de la reconstruction de l'énergie des électrons. Les algorithmes sont principalement basés sur des méthodes analytiques de la trajectoire des électrons, et des évaluations de méthodes de reconnaissance signal/bruit de fond par réseau de neurones sont en cours. Ces algorithmes sont testés au fur et à mesure sur des données de simulation Monte-Carlo. Les données d'un prototype de TPC de taille réduite seront aussi prochainement utilisées pour des tests des algorithmes en conditions réelles. Dès le début de la production des données du premier module fin 2020 ces algorithmes seront utilisés pour la calibration des détecteurs et leur prise en compte dans l'analyse, et pour l'extraction des premiers résultats de physique sur la production des événements de désintégration double-bêta. Le travail principal du doctorant sera d'une part de contribuer au développement des algorithmes de reconstruction des données, principalement en prenant en compte les imperfection des détecteurs (par exemple voies manquantes, inhomogénéité des performances, etc...) et en implémentant dans l'environnement de traitement de données REST les méthodes de calibration et de correction des données nécessaires pour compenser ces imperfections. Ces compensations pourront être basées sur des interpolations des données manquantes, ainsi que sur des méthodes de correction de données par réseaux neuronaux. Ce travail impliquera l'étude des données de chambres de test, ainsi que de simulations Monte Carlo à la fois des dispositifs de test et des TPC finales. D'autre part, dès que les données du premier module seront disponibles le doctorant participera au sein de la collaboration aux différentes étapes d'analyse de ces données et à l'extraction des résultats. Parallèlement à ces activités l'IRFU a entamé une R&D sur l'optimisation des détecteurs Micromegas afin d'améliorer leur résolution en énergie, ainsi que leur fonctionnement à haute pression et en environnement de Xénon gazeux. Le but de cette recherche est de pouvoir proposer des détecteurs mieux adaptés pour les modules TPC qui seront développés après la mise en service du premier module. Plusieurs axes de recherche ont été définis pour cette R&D: développement et amélioration des détecteurs Microbulk; développement de détecteurs Micromegas à micro-grille ultra-fine (< 5µm), plus robustes et de plus grande taille; exploration d'une solution de détection sans amplification des électrons primaires avec une électronique de lecture à très bas bruit développée à l'IRFU. Le doctorant participera à cette R&D: mise en oeuvre et tests des prototypes en source radioactive et éventuellement en faisceau d'électrons, analyse des données, simulation Monte Carlo des détecteurs et des processus d'amplification en milieu de Xénon gazeux. Les résultats de la R&D feront l'objet de publications et de présentations en conférence. Le principe de la détection de gammas à faible énergie par détecteurs au Xénon pourra aussi avoir des applications dans le domaine médical. En effet le Xénon, élément lourd mais gazeux à température ambiante, présente une bonne capacité d'arrêt, de détection et de mesure de position et de direction d'arrivée des rayons gammas issus de sources radioactives utilisées comme traceurs, ce qui ouvrirait la voie à des appareils d'imagerie médicale plus précis (TEP, gammagraphie). Les algorithmes de reconstruction de trajectoire seront optimisés pour les électrons de basse énergie, dont le parcours est fortement perturbé dans le gaz à haute pression. En complément de l'analyses des données de PandaX-III, ils pourront aussi être utilisés pour la reconstruction de la direction d'arrivée de photons gammas dans de possibles applications médicales de tels détecteurs. L'IRFU représente un environnement de choix pour ce travail de thèse, grâce aux compétences des physiciens et des ingénieurs de l'institut sur les problématiques de reconstruction d'événements dans les expériences de physique des particules, sur les détecteurs gazeux Micromegas, qui ont été inventés sur place, et sur les électroniques de lecture à bas bruit. Ainsi le doctorant développera naturellement des compétences d'expérimentateur en physique des particules (simulations, prise de données, analyse de données et interprétation) et également une solide expérience sur les détecteurs gazeux qui offrent de multiples applications potentielles. Un stage de Master 2 de 4 à 6 mois pourra être effectué préalablement à cette thèse au sein du groupe PandaX-III du DPhN. Références bibliographiques [1] https://arxiv.org/abs/1512.09034, https://arxiv.org/abs/1610.08883 PandaX-III: Searching for neutrinoless double beta decay with high pressure 136Xe gas time projection chambers, X. Chen et al., Sci.China Phys.Mech.Astron. 60 (2017) no.6, 061011 [2] http://dx.doi.org/10.1088/1748-0221/5/02/P02001 S. Andriamonje et al., Development and performance of Microbulk Micromegas detectors, JINST 5 (2010) P02001 [3] http://dx.doi.org/10.1016/j.phpro.2012.02.506 GET: A Generic Electronic System for TPCs for Nuclear Physics Experiments, E. Pollaco et al., Physics Procedia 37 (2012) 1799-1804 [4] https://arxiv.org/abs/1903.03979 Topological background discrimination in the PandaX-III neutrinoless double beta decay experiment, J. Galan et al., to be published in Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics.

  • Titre traduit

    The neutrino nature through the study of the Xenon 136 double-beta decays on the PandaX-III experiment


  • Résumé

    The PandaX-III collaboration [1] aims to determine if the neutrino is a Majorana particle, i.e. its own antiparticle. This international collaboration, in which the CEA Saclay research institute on fundamental laws of the universe (IRFU) is participating, plans to observe neutrinoless double-beta decays in the Xenon 136 nuclei, where the emission of two leptons (the two beta electrons) takes place without emission of any anti-neutrinos. Such a discovery would violate the lepton number conservation principle, in contradiction with the Standard Model of the particle physics. It would provides one of the three conditions required to explain the asymmetry between matter and antimatter observed in the universe. The success of this experiment requires to benefit from a very large amount of nuclei (here, up to one ton of Xenon 136), a very performative particle detection, and a deep underground experimental area protected from the cosmic rays and from radioactive background. This experiment will take place in the Jinping underground laboratory (Sichuan province, China) which is the deepest and most protected from cosmics in the world, with a very low radioactive background. Five TPC modules (Time Projection Chambers, which can reconstruct the particle trajectories in 3D) with 200kg of high pressure gaseous Xenon are foreseen in total. These TPC will be equipped with detectors able to reconstruct the trajectories and the energy of the two beta electrons with an excellent accuracy. The first TPC module will begin to take data from end of 2020 with a slightly reduced amount of 145kg of Xenon 136. The trajectory of both electrons will be reconstructed with two objectives: to reconstruct the initial energy of those electrons, and to recognize the trajectory topology in order to discriminate between real double-beta decays and gamma background events which only emit one electron. This TPC module will be equipped with Microbulk Micromegas gaseous detectors [2] which feature a very good energy resolution and an excellent radiopurity which limits the amount of gamma background due to radioactive contamination. The read-out electronics will use AGET readout ASICs [3] which were developed at CEA Saclay IRFU. The laboratories participating to the PandaX-III experiment are presently working to finalize the design and to produce all the required elements for the first module. They will be installed in the Jinping underground laboratory during the year 2020. Data reconstruction algorithm development is ongoing as well as the implementation of those algorithms in the REST reconstruction and data analysis environment [4], in order to optimize the double-beta event selection and the quality of the electron energy reconstruction. These algorithms are mainly based on analytic methods of the electron trajectories. Neural network methods are also evaluated for the double-beta decays vs gamma background selection. These algorithms are tested on Monte-Carlo simulation data. Data from a reduced-size TPC prototype will also be soon available to test the algorithms on real data. As soon as the first TPC module begins to produce data end of 2020, the algorithms will be used for Microbulk detector calibrations, and to extract the first physics results on the production of double-beta decay events. The main work of the PhD student will be to contribute to the development of the data reconstruction algorithms, in particular by taking into account the defaults of the detectors (for instance missing channels, gain inhomogeneities, etc..), and by implementing in the REST data treatment environment calibration and correction methods required to compensate these defaults. These methods would be based on interpolations over missing data, as well as on data correction methods based on neural networks. This work will require studies on data from the prototype TPC as well as on Monte-Carlo data. As soon as the data from the TPC module are available, the student will participate in collaboration with other members of the PandaX-III experiment to the analysis of these data and the extraction of the first physics results. In parallel to these activities, the IRFU institute started an R&D on the optimization of the Micromegas detectors in order to improve their energy resolution as well as their performance in high pressure Xenon environment. The goal of this research is to be able to propose optimized detectors for the next TPC modules which are planed after the first one. Several research axes were identified for this research: optimization of Microbulk detectors (thinner detectors, segmented-mesh Microbulks), more robust and larger bulk Micromegas with ultra-thin meshes, direct detection of primary ionization electrons with very low-noise read-out electronics developed at IRFU. The PhD student will participate to this R&D: tests of prototypes will radioactive sources and possibly electron beams, test-bench data analysis, detector Monte-Carlo simulation, studies on amplification processes in gaseous Xenon. Results from the R&D will be presented in international conferences and published in scientific journals. Low energy gamma ray detection with gaseous Xenon detectors may also have medical application. The Xenon, a heavy but still gaseous element at room temperature, presents a good capacity to stop and to interact with gamma rays coming from radioactive sources used as biological tracers. A good position and trajectory measurement would open the possibility of more precise medical detectors (TEP, gammagraphy). PandaX-III electron trajectory reconstruction algorithms will be optimized for low energy electrons, where the electrons are highly scattered by the high-pressure gas. In addition to the PandaX-III data analysis, they could also be used to determine the direction of incoming gamma rays for possible medical applications. The IRFU institute is a very good environment for this thesis work, thanks to the competences of its physicists and engineers on event reconstruction tasks in particle physics experiments, on Micromegas gaseous detectors which were invented here, and on low-noise read-out electronics. The student will develop excellent competences in experimental physics (simulations, data taking, reconstruction and analysis) as well as in gaseous detectors which have many potential usages. Before the beginning of the PhD thesis the student would have the possibility to do an internship in the IRFU/DPhN PandaX-III group in the framework of his/her Master studies during a period of 4 to 6 months. References [1] https://arxiv.org/abs/1512.09034, https://arxiv.org/abs/1610.08883 PandaX-III: Searching for neutrinoless double beta decay with high pressure 136Xe gas time projection chambers, X. Chen et al., Sci.China Phys.Mech.Astron. 60 (2017) no.6, 061011 [2] http://dx.doi.org/10.1088/1748-0221/5/02/P02001 S. Andriamonje et al., Development and performance of Microbulk Micromegas detectors, JINST 5 (2010) P02001 [3] http://dx.doi.org/10.1016/j.phpro.2012.02.506 GET: A Generic Electronic System for TPCs for Nuclear Physics Experiments, E. Pollaco et al., Physics Procedia 37 (2012) 1799-1804 [4] https://arxiv.org/abs/1903.03979 Topological background discrimination in the PandaX-III neutrinoless double beta decay experiment, J. Galan et al., to be published in Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics.