Expérience SuperNEMO : Études des incertitudes systématiques sur la reconstruction de traces et sur l'étalonnage en énergie. Evaluation de la sensibilité de la 0nbb avec émission de Majoron pour le Se-82.

SuperNEMO Experiment : Study of Systematic Uncertainties of Track Reconstruction and Energy Calibration. Evaluation of Sensitivity to 0nbb with Emission of Majoron for Se-82.

• Auteur / Autrice : Miroslav Macko
• Direction : Fabrice Piquemal, Ivan Štekl
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 17/12/2018
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Univerzita Komenského (Bratislava). Faculté de mathématiques, physique et informatique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Neutrino et Faibles Radioactivités
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'études nucléaires Bordeaux Gradignan
• Jury : Président / Présidente : Denis Dumora
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Drahoslav Vénos, J. Masarik
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Davide Franco, Petr Vogel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neutrinos -- Masse

Désintégration double bêta

NEMO (physique nucléaire)

Mots clés libres

Décroissance double beta bêta sans émission des neutrino

SuperNEMO

Majoron

Simulations

Blindage contre les neutrons

Système d'étalonnage

Neutrino-Less Double Beta Decay

SuperNEMO

Majoron

Simulations

Neutron shielding

Calibration system

Résumé

La thèse présentée est composée de divers projets que j’ai réalisés au cours de la phasede construction du démonstrateur SuperNEMO pendant la période 2015-2018.L’expérience SuperNEMO, située dans le laboratoire souterrain LSM, est conçue pourrechercher 0nbb de 82Se. Sa technologie, qui tire parti du suivi des particules, est uniquedans le domaine des expériences de double désintégration bêta. La reconstruction de latopologie des événements est un outil puissant pour la suppression de fond naturel.Une partie de la thèse est consacrée à un travail expérimental. J’ai participé à la préparationde modules optiques, partie intégrante du calorimètre SuperNEMO. Les résultats de lapréparation et des tests de 520 modules optiques sont présentés dans la thèse. En outre, jeprésente les résultats de la cartographie complète des sources 207Bi effectuée à l’aide de pixeldétecteurs. Je présente également des mesures précises de leurs activités pour lesquellesj’ai utilisé des détecteurs HPGe. Ces sources 207Bi seront utilisées pour l’étalonnage ducalorimètre. L’étude a joué un rôle clé dans le choix des 42 sources qui participeront àl’étalonnage du démonstrateur.Une autre partie de la thèse contient des projets axés sur les simulations de Monte Carlo.Dans un premier temps, j’ai étudié la précision de reconstruction de vertex réalisable parun algorithme de reconstruction développé pour l’expérience SuperNEMO. La précision estévaluée à l’aide de différentes méthodes statistiques dans diverses conditions (champ magnétique,énergie des électrons, angles d’émission, etc.). Les facteurs influençant la précision,en fonction des résultats obtenus, sont discutés.En 2018, j’ai également effectué les simulations du blindage contre les neutrons. Différentsmatériaux de blindage d’épaisseurs différentes ont été (dans la simulation) exposés àun spectre de neutrons réaliste provenant du LSM et les flux situés derrière le blindage ont étéestimés. Il a été démontré que les parties du détecteur en fer devraient capturer la grande majoritédes neutrons passant le blindage. Je discute également un problème de simulation desrayonnements gamma de désexcitation après capture de neutrons thermiques, apparaissantdans les logiciels standard. Je propose un nouveau générateur étendu capable de résoudre leproblème et de démontrer le concept dans un exemple analytiquement résolu.Avec le standard 0nbb, SuperNEMO sera capable de rechercher des modes plus exotiquesde la décroissance. Dans cette thèse, je présente les limites de demi-vie possibles queSuperNEMO peut atteindre pour 0nbb avec l’émission d’un ou deux Majorons. L’étudeest réalisée en fonction de l’activité de contamination interne par les isotopes 208Tl et 214Bi.La période de mesure après laquelle SuperNEMO devrait pouvoir améliorer les limites dedemi-vie de NEMO-3 (au cas où la décroissance ne serait pas observée) est estimée.

Predkladaná dizertaˇcná práca je zložená z projektov rôzneho charakteru, na ktorýchsom pracoval vo fáze výstavby SuperNEMO demonštrátora v období rokov 2015-2018.Experiment SuperNEMO, umiestnený v podzemnom laboratóriu LSM, je zameraný nahl’adanie 0nbb v 82Se. Experiment je založený na technológii rekonštrukcie dráh elektrónovvznikajúcich v rozpade. Tento prístup je jedineˇcný v oblasti 0nbb experimentov.Rekonštrukcia topológie udalostí je silným nástrojom na potlaˇcenie pozad’ovej aktivity vyskytujúcejsa v laboratóriu, ako aj v konštrukˇcných materiáloch detektora.Cˇ ast’ práce je venovaná experimentálnym úlohám. Zúcˇastnil som sa na konštrukciioptických modulov - súˇcasti hlavného kalorimetra. Práca obsahuje výsledky prípravy atestovania 520 optických modulov, a takisto výsledky kompletného mapovania kalibraˇcných207Bi zdrojov vykonaného za pomoci pixelových detektorov. V tejto ˇcasti sú odprezentovanéaj výsledky merania ich aktivít za pomoci HPGe detektorov. Štúdia zohrávala kl’úˇcovúúlohu pri výbere 42 zdrojov, ktoré boli nainštalované do prvého SuperNEMO modulu, dodemonštrátora, a budú použité na jeho energetickú kalibráciu.ˇ Dalšiu ˇcast’ práce tvoria úlohy zamerané na Monte Carlo simulácie. Prvým z nich,je štúdia presnosti rekonštrukcie vertexu dvojitého beta rozpadu. Rozpadové vertexy súrekonštruované tzv. CAT (Cellular Automaton Tracker) algoritmom vyvinutým pre experimentSuperNEMO. V štúdii sú porovnávané viaceré spôsoby definovania presnosti rekonštrukcie.Presnost’ je skúmaná v závislosti na magnetickom poli v detektore, energii elektrónov,uhlov ich emisie atd’. Na základe výsledkov sú v štúdii pomenované faktory, ktoré ovplyvˇnujú presnost’ rekonštrukcie vertexov dvojitého beta rozpadu.V roku 2018 som takisto vypracoval štúdie neutrónového tienenia. Oˇcakávané toky neutrónovza tienením boli odhadnuté pomocou Monte Carlo simulácie. Kvalita odtienenia neutrónovz realistickéh pozad’ového spektra, nameraného v LSM, bola skúmana pre tri rôznemateriály rôznych hrúbok. Výsledky ukázali, že neutrónový tok prechádzajúci tienenímbude primárne zachytávaný na komponentoch detektora zhotoveného zo železa. V rámcištúdie neutrónového tienenia je takisto diskutovaný problém simulácie deexcitaˇcných gamakaskád, produkovaných jadrami, po záchyte termálnych neutrónov. Štandardné simulaˇcnésoftvérové balíˇcky využívajú generátory gama kaskád nepostaˇcujúce pre potreby štúdie.Navrhol som nový generátor, ktorý je schopný tieto problémy vyriešit’. Funkˇcnost’ generátorabola preukázaná na príklade jednoduchého systému.Okrem štandardného 0nbb je SuperNEMO experiment schopný hl’adat’ aj jeho exotickejšieverzie. V práci sa nachádzajú odhady limitov ˇcasu polpremeny 0nbb s emisiou jednéhoalebo dvoch Majorónov, dosiahnutel’né SuperNEMO demonštrátorom. Tieto limity sú študovanév závislosti na aktivite izotopov 208Tl a 214Bi, ktoré kontaminujú zdrojovú 82Se fóliu.Bola odhadnuá doba merania, za ktorú bude SuperNEMO schopný vylepšit’ limity ˇcasu polpremeny,pre dva spomenuté rozpadové módy, dosiahnutých experimentom NEMO-3.

Presented thesis is composed of variety of projects which I performed within theconstruction phase of SuperNEMO demonstrator during the period 2015-2018.SuperNEMO experiment, located at underground laboratory LSM, is designed to searchfor 0nbb of 82Se. Its technology, which takes advantage of particle tracking, is unique inthe field of double beta decay experiments. Event topology reconstruction is powerful toolfor suppression of naturally-occurring background radiation.Part of the thesis is dedicated to experimental work. I took part in assembly and testingof optical modules - the integral part of SuperNEMO calorimeter. Results of tests afterassembly of 520 optical modules are presented in the thesis. Furthermore, I present resultsof complete mapping of 207Bi sources performed using pixel detectors. I also present precisemeasurements of their activities for which I used HPGe detectors. These 207Bi sources willbe used for calibration of the calorimeter. Study played a key role in choice of 42 sourceswhich were installed in the demonstrator and will take part in calibration of the demonstrator.Another part of the thesis contains projects focused on Monte Carlo simulations. In firstof them, I studied a vertex reconstruction precision achievable by reconstruction algorithmdeveloped for SuperNEMO experiment. Precision is evaluated using different statisticalmethods in variety of different conditions (magnetic field, energy of electrons, angles ofemission, etc.). Factors influencing the precision, based on the achieved results are discussed.In 2018, I also performed simulations of neutron shielding. Variety of shielding materialswith different thicknesses were (in the simulation) exposed to realistic neutron spectrumfrom LSM and the fluxes behind the shielding were estimated. It was shown that the partsof the detector made of Iron should be expected to capture vast majority of neutrons passingthe shielding. I also discuss a problem with simulation of deexcitation gamma radiation,emitted after thermal neutron capture, which arises in standard software packages. I proposednew extended generator capable to resolve the problem and demonstrate the conceptin analytically solvable example.Along with standard 0nbb, SuperNEMO will be capable of searching for more exoticmodes of the decay. In the thesis, I present possible half-life limits achievable by SuperNEMOfor 0nbb with emission of one or two Majorons. The study is performed asa function of activity of internal contamination from 208Tl and 214Bi isotopes. Measurementperiod after which SuperNEMO should be able to improve half-life limits of NEMO-3 (incase the decay would not be observed) are estimated.