Recherche de la double désintegration bêta sans neutrinos avec des bolomètres scintillants

Searching for neutrinoless double-beta decay with scintillating bolometers

• Auteur / Autrice : Dounia Lila Helis
• Direction : Claudia Nones, Emiliano Olivieri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 21/09/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département de physique des particules (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Jules Gascon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emiliano Olivieri, Davide Franco, Susana Cebrian-Guajardo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Davide Franco, Susana Cebrian-Guajardo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neutrinos

Désintégration double bêta

Bolomètres

Mots clés libres

Basse radioactivité

Bolomètres

Double désintégration bêta sans neutrinos

Low radioactivity

Bolometers

Neutrinoless double-beta decay

Résumé

La double désintégration bêta sans neutrinos (0γββ) est une transition nucléaire hypothétique (T½>10²⁶ ans). Si elle est observée, elle prouvera la violation du nombre de leptons et confirmera la nature de Majorana des neutrinos. Pour étudier cette désintégration, nous utilisons des bolomètres scintillants. Ce sont des détecteurs cryogéniques constitués d’un absorbeur scintillant (où a lieu la libération d’énergie) couplé à un détecteur auxiliaire pour lire en coïncidence la lumière émise. Cette double lecture, chaleur et lumière,est utilisée pour déterminer l’origine de la particule. Dans cette thèse, deux cristaux enrichis ont été étudiés : le Li₂¹⁰⁰MoO₄ et le ¹¹⁶CdWO₄ exploités comme bolomètres scintillants, où le ¹⁰⁰Mo et ¹¹⁶Cd sont candidats à 0γββ. CUPID-Mo comprend un réseau de 20 bolomètres scintillants cryogéniques recherchant la 0γββ du ¹⁰⁰Mo basés sur des cristaux enrichis de Li₂¹⁰⁰MoO₄ fonctionnant à 20 mK. Nous présentons l’analyse des données qui a conduit à établir une nouvelle limite de record mondial sur la demi-vie du ¹⁰⁰Mo (T½>1.5x10²⁴ ans à 90% C.L). Nous présentons également la première analyse à basse énergie pour la recherches de matière noire avec les détecteurs CUPID-Mo. CUPID est une future expérience à l’échelle de la tonne en cours de conception. Dans cette thèse, les résultats de différentstests de R&D visant à établir la structure finale des détecteurs sont présentés. De plus, deux cristaux de 0,6 kg de ¹¹⁶CdWO₄ , enrichis à 82% en ¹¹⁶Cd, ont été testés pour la première fois sous terre comme bolomètres scintillants cryogéniques.Des résultats prometteurs ont été obtenus, montrant les perspectives de la technologie bolométrique pour des recherches à haute sensibilité de la 0γββ du ¹¹⁶Cd. Nous présentons également une analyse préliminaire d’un bolomètre scintillant à bas seuil basé sur un cristal naturel de CdWO₄ pour extraire l’extinction du facteur de couplage axial gA dans la désintégration bêta du ¹¹³Cd.

Neutrinoless double-beta decay (0γββ) is a hypothetical nuclear transition (T½>10²⁶ yr) which, if observed, will prove the lepton number violation and confirm the Majorana nature of neutrinos.To study this decay, we use scintillating bolometers. They are cryogenic detectors consisting of a scintillating absorber (where the energy release takes place) coupled to an auxiliary detector to read in coincidence the emitted light. The dual readout, heat and light, is used to discriminate the origin of the particle. In this thesis, two crystals have been studied: enriched Li₂¹⁰⁰MoO₄ and ¹¹⁶CdWO₄ operated as scintillating bolometers, where ¹⁰⁰Mo and ¹¹⁶Cd are the candidates for 0γββ. CUPID-Mo comprises an array of 20 cryogenic scintillating bolometers searching for 0γββ of ¹⁰⁰Mo based on enriched Li₂¹⁰⁰MoO₄ crystals operating at 20 mK. We present the data analysis that led to the new world-leading limit on the half-life of 0γββ) of ¹⁰⁰Mo (T½>1.5x10²⁴ yr at 90% C.L). We also present the first low energy analysis for dark matter searches with the CUPID-Mo detectors.CUPID is a future ton-scale experiment under design. In this thesis, results from different R&D tests to establish the baseline of the detector structure are presented. In addition, two 0.6 kg ¹¹⁶CdWO₄ crystals, enriched to 82% in ¹¹⁶Cd, were tested for the first time underground as cryogenic scintillating bolometers. Promising results were obtained, showing the prospects of the bolometric technology for high-sensitivity searches for 0γββ of ¹¹⁶Cd. Moreover, we present a preliminary analysis of a low-threshold scintillating bolometer based on a natural CdWO₄ crystal to extract the quenching of the axial-vector coupling gA in the beta decay of ¹¹³Cd.