Development of cryogenic low background detector based on enriched zinc molybdate crystal scintillators to search for neutrinoless double beta decay of ¹⁰⁰Mo

par Dmitry Chernyak

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Andrea Giuliani et de Fedor Danevich.

Le président du jury était David Lunney.

Le jury était composé de Fedor Danevich, David Lunney, Corinne Augier, Alessandra Tonazzo, Oleg Ponkratenko.

Les rapporteurs étaient Corinne Augier, Alessandra Tonazzo.

  • Titre traduit

    Développement de détecteurs cryogéniques à faible bruit de fond composés de cristaus scintillateurs enrichis en molybdate de zinc pour la recherch de la double désintégration beta sans neutrinos du ¹⁰⁰Mo


  • Résumé

    L’observation de la double désintégration bêta sans neutrinos (0ν2β) impliquerait la violation de la conservation du numéro leptonique, signe d’une nouvelle physique au-delà du Modèle Standard, et permettrait d’établir la nature de Majorana des neutrinos. Les bolomètres scintillants cryogéniques sont parmi les détecteurs les plus prometteurs pour rechercher ce processus nucléaire extrêmement rare dans des noyaux qui sont théoriquement entre les plus favorables.Des scintillateurs de ZnMoO₄ ayant une masse de ∼ 0.3 kg, ainsi que des cristaux de Zn¹⁰⁰ MoO₄ enrichi dans l’isotope ¹⁰⁰Mo, ont été produits pour la première fois en utilisant la technique de Czochralski à faible gradient thermique. Les propriétés optiques et de luminescence des cristaux produits ont été étudiées pour évaluer le progrès de la qualité de la croissance des cristaux. Des tests à basse température avec un scintillateur de 313 g de ZnMoO₄et deux scintillateurs de Zn¹⁰⁰ MoO₄ enrichis ont été réalisées en surface au Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière. On a aussi mené des mesures à faible fond radioactif avec trois cristaux de ZnMoO₄ naturels et deux détecteurs enrichis, installés dans le setup d’ EDELWEISS au Laboratoire Souterrain de Modane.Pour optimiser la collecte de la lumière dans des bolomètres scintillants cryogénique de ZnMoO₄, nous avons simulé par une méthode Monte Carlo la collecte des photons de scintillation dans un module de détection pour différentes géométries, en utilisant le logiciel GEANT4. La réponse à la désintégration 2ν2β de ¹⁰⁰Mo a été simulée pour des détecteurs enrichis de Zn¹⁰⁰ MoO₄ avec forme et masse différente, avec le but de comprendre la structure des spectres 2ν2β en fonctionne de la forme des cristaux. Nous avons simulé aussi la performance de 48 cristaux de Zn¹⁰⁰ MoO₄ ayant une taille de Ø60 × 40 mm et installés dans le cryostat d’EDELWEISS. La contribution au fond de la contamination radioactive interne des cristaux, l’activation cosmogénique et la contamination radioactive du setup ont été simulées.Tenant compte de la modeste résolution temporelle des bolomètres à basse température, nous avons également étudié la contribution au fond à l'énergie Q₂β déterminé par des coïncidences aléatoires de signaux, en particulier du à la décroissance 2ν2β, qui est l'une des sources de fond les plus dangereuses dans les bolomètres cryogéniques. Des méthodes pour le rejet d’événements coïncidant par hasard ont été développées et comparées. Nous avons également analysé la dépendance de l'efficacité de rejet à l’égard des performances du détecteur cryogénique.


  • Résumé

    Observation of neutrinoless double beta (0ν2β) decay would imply the violation of lepton number conservation and definitely new physics beyond the Standard Model, establishing the Majorana nature of neutrinos. Cryogenic scintillating bolometers look the most promising detectors to search for this extremely rare nuclear process in a few theoretically the most favorable nuclei.ZnMoO₄ scintillators with a mass of ∼ 0.3 kg, as well as Zn¹⁰⁰ MoO₄ crystals enriched in the isotope ¹⁰⁰Mo were produced for the first time by using the low-thermal-gradient Czochralski technique. The optical and luminescent properties of the produced crystals were studied to estimate the progress in crystal growth quality. The low-temperature tests with a 313 g ZnMoO₄ scintillator and two enriched Zn¹⁰⁰ MoO₄ were performed aboveground in the Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière. The low background measurements with a three ZnMoO₄ and two enriched detectors installed in the EDELWEISS set-up at the Laboratoire Souterrain de Modane were carried out.To optimize the light collection in ZnMoO₄ cryogenic scintillating bolometers, we have simulated the collection of scintillation photons in a detector module for different geometries by Monte Carlo method using the GEANT4 package. Response to the 2ν2β decay of ¹⁰⁰Mo was simulated for the enriched Zn¹⁰⁰ MoO₄ detectors of different shape and mass to understand the dependence of 2ν2β decay spectra on crystal shape. We have simulated 48 Zn¹⁰⁰ MoO₄ crystals with a size of Ø60 × 40 mm installed in the EDELWEISS cryostat. The contribution to background from the internal radioactive contamination of the crystals, cosmogenic activation and radioactive contamination of the set-up were simulated.Taking into account the poor time resolution of the low temperature bolometers, we also studied contribution to background at the Q₂β energy of random coincidences of signals, in particular of 2ν2β decay, which is one of the most valuable sources of background in cryogenic bolometers. Methods of the randomly coinciding events rejection were developed and compared. We have also analyzed dependence of the rejection efficiency on a cryogenic detector performance.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université Paris-Saclay. DiBISO. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.