Caractérisation temporelle du calorimètre du démonstrateur SuperNEMO. Etude de la sensibilité de SuperNEMO à la constante de couplage axial-vecteur

Characterization of the Timing Properties of the SuperNEMO Demonstrator. Extraction of the SuperNEMO Sensitivity to the Axial-Vector Coupling Constant

• Auteur / Autrice : Malak Hoballah
• Direction : Laurent Simard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 15/09/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Hélène Schune
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Corinne Augier, Antoine Kouchner, Fedor Šimkovic, Emmanuel Chauveau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Corinne Augier, Antoine Kouchner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Étalonnage

Calorimètres

Constantes de couplage

Désintégration double bêta

Neutrinos

Mots clés libres

Double bêta désintégration

Neutrinos de Majorana

Violation du nombre leptonique

Quenching de la constante de couplage axial-vecteur

Résolution temporelle

Calibration temporelle

Double beta decay

Neutrinos Majorana

Violation of the leptonic number

Quenching of the axial-vector coupling constant

Time resolution

Time calibration

Résumé

La désintégration double bêta sans neutrinos (0νββ) est une désintégration radioactive hypothétique au-delà du Modèle Standard, caractérisée par la violation du nombre leptonique et l'émission de deux électrons et aucun antineutrino électronique. L'expérience SuperNEMO est conçue pour rechercher cette désintégration. Sa sensibilité d'exclusion est de 10²⁶ ans sur la demi-vie 0νββ, correspondant à une masse de Majorana effective de <m_ββ> < 40-100 meV. Pour le bon fonctionnement du détecteur, une caractérisation des propriétés temporelles du calorimètre a été réalisée. Le calorimètre a été calibré en temps et la résolution temporelle a été extraite pour chaque module optique à l'aide de prise de données dédiées avec une source ⁶⁰Co placée derrière le calorimètre. La source ⁶⁰Co est émet deux gammas (quasi) simultanément et la détection s'effectue avec des coïncidences entre les différents modules optiques. L'étalonnage du temps a atteint une précision de < ~ 0,2 ns, suffisante pour effectuer le rejet du bruit de fond à l'aide des calculs de temps de vol. La résolution temporelle moyenne pour les photomultiplicateurs 8'' des murs est de 0,619 ± 0,002 (stat) + 0,049 (sys) - 0,004 (sys) pour les gammas à 1 MeV. Le taux de décroissance 0νββ dépend fortement de la constante de couplage du vecteur-axial g_A, et la contrainte de cette constante est cruciale pour estimer précisément ce taux. Des calculs théoriques plus précis de la double désintégration bêta permise par le modèle standard ont conduit à de nouvelles dépendances du taux en fonction de facteurs d'espace de phase avec différentes cinématiques. Par conséquent, une mesure précise de l'énergie de chaque électron peut contraindre la constante de couplage du vecteur axial. La sensibilité de SuperNEMO au quenching de la constante de couplage du vecteur axial a été étudiée à l'aide de données simulées dans l'environnement SuperNEMO. Après avoir introduit la physique des neutrinos et des désintégrations double-bêta, et en détail l'expérience SuperNEMO, je présente le travail détaillé effectué pour extraire la résolution temporelle et calibrer en temps le calorimètre SuperNEMO, et l'analyse pour estimer la sensibilité de SuperNEMO au quenching de la constante de couplage du vecteur axial g_A.

Neutrinoless double-beta decay (0νββ) is a hypothetical radioactive decay beyond the Standard Model, characterized by the violation of the leptonic number through the emission of two electrons and no electron anti-neutrinos. The SuperNEMO experiment is designed to search for this decay. Its exclusion sensitivity is 10²⁶ years on the 0νββ half-life, corresponding to an effective Majorana mass at <m_ββ> < 40-100 meV. For the correct performance of the detector, a timing study of the calorimeter has been performed. The calorimeter has been calibrated in time and the time resolution has been extracted for each optical module using dedicated data taking runs with a ⁶⁰Co source placed behind the calorimeter. The ⁶⁰Co source emits two gammas (almost) simultaneously and the detection is performed by finding coincidences between the different optical modules. The time calibration reached a precision of <~ 0.2 ns, sufficient to perform background rejection using time of flight calculations. The mean time resolution for 8'' photomultipliers of the main walls is found to be 0.619 ± 0.002 (stat) + 0.049 (sys) - 0.004 (sys) for gammas at 1 MeV. The 0νββ decay rate depends strongly on the axial-vector coupling constant g_A, and constraining of this constant is crucial to estimate accurately this rate. More accurate theoretical calculations of the double beta decay allowed by the standard model have led to new dependencies of the rate on phase space factors with different kinematics. Therefore, an accurate measurement of the energy of each electron can constrain the axial-vector coupling constant. The sensitivity of SuperNEMO to the quenching of the axial-vector coupling constant has been studied using simulated data in the SuperNEMO environment. After introducing the physics of neutrinos and double-beta decays, and in details the SuperNEMO experiment, I present the detailed work performed to extract the time resolution and calibrate in time the SuperNEMO calorimeter, and the analysis to find the sensitivity of SuperNEMO to the quenching of the axial-vector coupling constant g_A.