Recherche de la décroissance double bêta sans émission de neutrino du 82Se avec l’expérience SuperNEMO : reconstruction de l'énergie mesurée avec le calorimètre et analyse des premières données du démonstrateur

Search for neutrinoless double beta decay of 82Se with the SuperNEMO experiment : reconstruction of the energy measured with the calorimeter and analysis of the first data from the demonstrator

• Auteur / Autrice : Xalbat Aguerre
• Direction : Christine Marquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 04/12/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Deux Infinis (Bordeaux ; 2022-....)
• Jury : Président / Présidente : Beatriz Jurado
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Lemière, Jacob Lamblin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claudia Nones, Silvia Scorza

Mots clés

Mots clés contrôlés

Désintégration double bêta

Calorimètres

Neutrinos

NEMO (physique nucléaire)

Mots clés libres

Décroissance double bêta

Calorimètre

Neutrino

Double beta decay

Calorimeter

Neutrino

Résumé

Déterminer la nature du neutrino est l'une des enjeux majeurs actuels de la physique des particules. La découverte de la décroissance double bêta sans émission de neutrinos ββ0ν prouverait que le neutrino est de nature Majorana (identique à son anti-particule). L'expérience SuperNEMO a pour objectif de rechercher cette décroissance avec du 82Se à l'aide d'une technologie unique associant trajectographe et calorimètre. Cette technique permet d'identifier les particules et de reconstruire la topologie des événements permettant de mieux séparer le signal double bêta du bruit de fond. Dans le cas de l'observation d'un signal ββ0ν, ces informations seront déterminantes pour discriminer les mécanismes à l'origine de cette nouvelle Physique.Ce travail de thèse porte sur la reconstruction de l'énergie mesurée avec le calorimètre (712 scintillateurs plastiques couplés à des photomultiplicateurs 8" ou 5") et sur l'analyse des premières données du démonstrateur de SuperNEMO installé au Laboratoire Souterrain de Modane (LSM). Différentes méthodes d'étalonnages ont été étudiées et développées durant cette thèse. La première est basée sur l'analyse du spectre en énergie du bruit de fond gamma ambiant au LSM. Cette étude a également permis de fournir une mesure du flux gamma autour du détecteur. La deuxième méthode utilise une technique d'étalonnage en énergie dite relative via l'injection de lumière UV dans les scintillateurs par des LEDs et un réseau de fibres optiques. La dernière méthode fait appel au déploiement de sources de 207Bi dans le détecteur qui émettent des électrons de conversion monoénergétiques. Dans ce dernier cas, les données combinées du trajectographe et du calorimètre ont été utilisées pour la première fois afin d'identifier ces électrons de conversions. Ces études ont également permis la première validation dans la configuration finale du détecteur des corrections de non-uniformité et non-linéarité du calorimètre développées par la collaboration SuperNEMO pour une reconstruction avancée de l'énergie. Les codes d'analyses développés dans ce travail de thèse ont aussi été mis à profit pour tenter de distinguer pour la première fois les décroissances double bêta avec émission de neutrinos du 82Se dans SuperNEMO.

Knowing the nature of the neutrino is the major questions in particle physics. The discovery of neutrinoless double-beta ββ0ν would prove that the neutrino is a Majorana particle (i.e. identical to its anti-particle). The aim of SuperNEMO experiment is to search for this decay with 82Se using a unique technology combining a tracker and a calorimeter. This technique allows particle identification and topology reconstruction of the events, thus enabling the double-beta signal to be better separated from the background. In the event of a double-beta signal being observed, this information will be decisive in identifying the mechanisms behind this new Physics.This thesis work focuses on the reconstruction of the energy measured by the calorimeter (712 plastic scintillators coupled to 8" or 5" photomultipliers), and on the analysis of the first data from the SuperNEMO demonstrator installed at the Modane Underground Laboratory (LSM). Various calibration methods were studied and developed during this thesis. The first one is based on analysis of the energy spectrum of the ambient gamma-ray background at LSM. This study also provided a measurement of the gamma flux around the detector. The second one uses a relative energy calibration technique by injecting UV light into the scintillators using LEDs and a network of optical fibres. The final method involves deploying 207Bi sources in the detector which emit monoenergetic conversion electrons. In the latter case, the combined data from both the tracker and the calorimeter were used for the first time to identify these conversion electrons. These studies also allow the first validation of the calorimeter non-uniformity and non-linearity corrections in the final detector configuration. These corrections were previously developed by the SuperNEMO collaboration for advanced energy reconstruction. The analysis codes developed in this thesis work have also been used to attempt to distinguish, again for the first time, double beta decays with neutrino emission in SuperNEMO.