Développement d'outils de reconstruction et sensibilité du démonstrateur SuperNEMO

Development of reconstruction tools and sensitivity of the SuperNEMO demonstrator

• Auteur / Autrice : Steven Calvez
• Direction : Laurent Simard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 21/09/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'accélérateur linéaire (Orsay, Essonne ; 1969-2019)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Achille Stocchi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Simard, Achille Stocchi, Dominique Duchesneau, Stefan Schönert, Fabrice Piquemal, Marco Zito, Xavier Garrido
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Duchesneau, Stefan Schönert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse multivariée

Monte-Carlo, Méthode de

Désintégration double bêta

Neutrinos

Mots clés libres

Neutrino

Double désintégration bêta

SuperNEMO

Simulation Monte-Carlo

Reconstruction d’évènements

Analyse bas bruit de fond

Neutrino

Double beta decay

SuperNEMO

Monte-Carlo simulation

Event reconstruction

Low background analysis

Résumé

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.