Mesure des processus de double désintégration bêta du 100Mo vers l'état excité 0+ du 100Ru dans l'expérience NEMO3 – programme de R&D SuperNEMO : mise au point d'un détecteur BiPo pour la mesure de très faibles contaminations de feuilles sources

Double-beta decay measurement of 100Mo to the excited 0+ state of 100Ru in the NEMO3 experiment – R&D program for SuperNEMO : development of a BiPo detector to measure ultra low contaminations in the source foils

• Auteur / Autrice : Arnaud Chapon
• Direction : François Mauger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Constituants élémentaires et physique théorique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Caen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (France)

Neutrinos

Leptons

Interactions faibles (physique nucléaire)

Modèle standard (physique)

Rayonnement de fond

Détecteurs de rayonnement

Mots clés libres

Majorana

Nemo

Symétrie matière anti-matière

Laboratoire souterrain

Résumé

Le détecteur NEMO3 a été conçu pour étudier la double désintégration beta, et notamment, le processus sans émission de neutrino (bb0n). Toutefois, la quantité de 100Mo présente dans le détecteur (7 kg) permet aussi une mesure compétitive de la double désintégration beta avec émission de deux neutrinos (bb2n) du 100Mo vers l'état excité 0+ du 100Ru (canal eeNg). Le dit processus et les sources de bruit de fond attendues ont d'abord fait l'objet d'études par simulations Monte-Carlo, afin d'estimer ensuite leurs contributions respectives à l'ensemble des données expérimentales de NEMO3 (2003-2011). Celles-ci ont été analysées : la demi-vie du processus bb2n a pu être mesurée et une limite inférieure sur la demi-vie du processus bb0n établie. Par ailleurs, l'expérience SuperNEMO, successeur de NEMO3, vise à atteindre une sensibilité de 10^26 années sur la demi-vie du processus bb0n. Aussi, la radiopureté des feuilles sources de SuperNEMO est soumise à des contraintes que ne permettent pas de mesurer les méthodes usuelles de spectrométrie gamma : 2 uBq/kg en 208Tl et 10 uBq/kg en 214Bi. C'est pourquoi un détecteur dédié, BiPo, a été développé pour mesurer les contaminations en 208Tl et en 214Bi des feuilles sources de SuperNEMO, par détection de la chaîne beta-alpha de décroissance Bi→Po→Pb. Après avoir validé le principe de mesure, la contamination intrinsèque au détecteur a été mesurée. Extrapolée à un détecteur BiPo final de 3. 6 m2, ce dernier permettra de mesurer les contaminations des feuilles sources de SuperNEMO en 208Tl et en 214Bi, en six mois de mesure, avec la sensibilité requise.

The NEMO3 detector was designed for the study of double beta decay and in particular the search for neutrinoless double beta decay (bb0n). The quantity of 100Mo in the detector (7 kg) allows also a competitive measurement of the two-neutrino double beta decay (bb2n) of 100Mo to the excited 0+ state of 100Ru (eeNg channel). Monte-Carlo simulations of the effect and of all the possible sources of background have been studied in order to determine their contributions to the full NEMO3 experimental data (2003-2011). These one have then been analysed: the bb2n decay half-life has been measured, and a limit on the bb0n decay has been obtained. Moreover, the SuperNEMO experiment aims to reach a sensitivity up to 10^26 years on the half-life of neutrinoless double beta decay. The SuperNEMO detector radioactivity has to be as low as possible. Especially radiopurity levels of 2 uBq/kg in 208Tl and 10 uBq/kg in 214Bi are required for the source foils. The gamma-spectrometry can not measure such low contamination levels. Hence, a BiPo dedicated detector has been developped to measure 208Tl and 214Bi contaminations, identifing the Bi→Po→Pb beta-alpha chains. A proof of principle has been performed and the detector background has been measured. Assuming these values, a full BiPo detector of 3. 6 m2 can achieve the required sensitivities for the SuperNEMO source foils within six months of measurement.