Simulation Monte Carlo du bruit de fond des détecteurs et analyse des caractéristiques du fond de l'expérience SuperNEMO dans le laboratoire souterrain de Modane

Monte Carlo simulations of detectors background and analysis of background characteristics of the SuperNEMO experiment in the Modane underground laboratory

• Auteur / Autrice : Veronika Palušová
• Direction : Fabrice Piquemal, Pavel P. Povinec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 04/11/2021
• 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 : Laboratoire : Centre d'études nucléaires Bordeaux Gradignan
• Jury : Président / Présidente : Denis Dumora
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Dumora, Jules Gascon, Štefan Gmuca, Davide Franco, Claudia Nones, Mariangela Settimo, Vladimir Nečas, Jozef Masarik
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jules Gascon, Štefan Gmuca, Davide Franco

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neutrinos

Bruit

Monte-Carlo, Méthode de

NEMO (physique nucléaire)

Mots clés libres

Neutrino

SuperNEMO

Décroissance double bêta sans émission de neutrino

Simulations Monte Carlo

Bruit de fond

Laboratoire souterrain

Neutrino

SuperNEMO

Neutrinoless double beta decay

Monte Carlo simulations

Background

Underground laboratory

Résumé

La découverte récente d'une masse non-nulle pour les neutrinos avec l'observation des oscillations renouvelle l’intérêt de rechercher de la décroissance double bêta sans émission de neutrino. Il s'agit de la meilleure approche expérimentale pour sonder la nature de neutrinos - Dirac ou Majorana - et leur échelle de masse. SuperNEMO est une expérience basée sur l'utilisation d'un trajectographe et d'un calorimètre afin de détecter individuellement les deux électrons émis lors de la décroissance. Le premier module démonstrateur de SuperNEMO se trouve au Laboratoire Souterrain de Modane. Sa technique de réjection du bruit de fond repose sur la reconstruction de la topologie des évènements ainsi qu'un suppression en amont des bruits de fond par une sélection de composants radiopurs et l'utilisation d'un blindage passif.Une partie de cette thèse est dédiée à l'estimation du bruit de fond radioactif environnant au Laboratoire Souterrain de Modane, dont les neutrons radiogéniques produit par fission des isotopes d'uranium et de thorium, ainsi que par réaction (alpha,n). Ces derniers sont un ingrédient important pour les simulations Monte Carlo du bruit de fond induit par les rayonnements gamma de haute énergie. Un problème de simulation des cascades gamma par capture radiative de neutron est notamment discuté avec la mise au point d'une solution.Une autre partie du travail porte sur des simulations d’atténuation de rayonnements à travers différente configurations et géométries de blindage passif, afin d'optimiser le blindage finale du module démonstrateur de SuperNEMO.Ces travaux permettent une modélisation du bruit de fond dite externe de l'expérience SuperNEMO, par l'étude et identification des évènements imitant la topologie ''deux électrons'' de la décroissance double bêta sans émission de neutrinos.

Presented dissertation thesis is focused on Monte Carlo simulations of background induced by high energy gamma rays in the SuperNEMO experiment.The discovery of neutrino masses through the observation of neutrino oscillations renewed the interest in neutrinoless double beta decay searches. They can probe lepton number conservation and investigate the nature of the neutrinos - Dirac or Majorana - and also probe their absolute mass scale. SuperNEMO experiment aims to search for the signal of neutrinoless double beta decay. It utilizes a tracking approach by separating the source isotope from the detector, while combining tracker and calorimetry techniques to detect emitted electrons independently. The first module of the experiment, the Demonstrator, is located in Modane underground laboratory. Its background suppression technique is based on rejection method by reconstructing the topology of events and on background suppression by selecting radiopure materials used in detector construction and passive shielding.Part of the thesis is dedicated to evaluation of different sources of background, namely ambient background sources in the Modane underground laboratory that are unavoidable to all experiments operating here, and radiogenic sources of neutrons produced in fission processes of uranium and thorium, and in (alpha,n) reactions. This part represents an important component of inputs used for Monte Carlo simulation of the background induced by high energy gamma rays. A problem with simulation of gamma cascades emitted after thermal neutron capture in the software package along with the solution of this problem is discussed.Another part is dedicated to simulations of attenuation of radiation passing through different shielding configurations and geometries. This study helps to optimize the final design of passive shielding used for the Demonstrator module.All these parts are then used as inputs for the final Monte Carlo simulations of external background in the SuperNEMO experiment.The main goal of this task is to study and to identify events that mimic the 2 electron topology of neutrinoless double beta decay.