Etude et prototypage des détecteurs cryogéniques innovants pour la détection de la diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux

Prototyping of innovative cryogenic detectors for the detection of coherent elastic neutrino-nucleus scattering

• Auteur / Autrice : Beatrice Mauri
• Direction : Claudia Nones, Martin Loidl
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 22/11/2022
• 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 : Département de physique des particules (Gif-sur-Yvette, Essonne) - Laboratoire national Henri Becquerel (France) - 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 : Jules Gascon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Loredana Gastaldo, Luca Scotto Lavina, Esther Ferrer-Ribas
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Loredana Gastaldo, Luca Scotto Lavina

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ionisation

Antineutrinos

Scintillateurs

Basses températures

Neutrinos

Bolomètres

Mots clés libres

Détecteurs à basse température

Bolomètres

Veto cryogénique

Diffusion cohérente des neutrinos sur les noyaux

Low-Temperature detectors

Calorimeters

Cryogenic veto

Coherent elastic neutrino-Nucleus scattering

Résumé

La détection de la diffusion cohérente des neutrinos sur les noyaux (CEvNS) représente un défi expérimental en raison de sa signature unique : un recul nucléaire de faible énergie de l'ordre de 10-100 eV en moyenne. Ce processus, largement inexploré jusqu'à aujourd'hui, pourrait sonder la physique au-delà du modèle standard. NUCLEUS est une expérience de neutrino de réacteur nucléaire conçue pour la détection de CEvNS en utilisant un nouveau type de calorimètres cryogéniques à très bas seuil d'énergie (inférieur à 20 eV) basés sur la technologie CRESST. Il sera installé dans le Very Near Site (VNS), un hall expérimental à faible profondeur situé entre les deux réacteurs nucléaires de la centrale de Chooz B en France, avec des distances entre réacteurs de 72 m et 102 m. Par conséquent, un système de suppression du bruit de fond très efficace est fondamental. Dans cette thèse, le prototype du veto externe cryogénique de NUCLEUS et les essais correspondants réalisés à IJClab (Orsay, France) sont présentés afin de valider la technique utilisée pour l'identification et l'élimination des neutrons et des rayons gamma les plus pénétrants constituant la radioactivité de fond. En outre, cette thèse couvre également l'activité BASKET (Bolometers At Sub KeV Energy Threshold), un projet de R&D visant le développement de détecteurs cryogéniques innovants pour la détection de CEvNS. Nous avons couplé différents capteurs thermiques aux cristaux de Li₂WO₄. Dans cette thèse sont rapportés les principaux résultats obtenus jusqu'à présent.

The detection of Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS) represents an experimental challenge because of its unique signature: a low-energy nuclear recoil in the range of 10-100,eV on average. This process, largely unexplored until today, could probe physics beyond the Standard Model. NUCLEUS is a nuclear reactor neutrino experiment conceived for CEvNS detection using a new type of ultra-low energy threshold (below 20 eV) cryogenic calorimeters based on the CRESST technology. It will be installed at the Very Near Site (VNS), a shallow depth experimental hall located in between the 2 nuclear reactors of the Chooz B power plant in France, with reactor baselines of 72 m, and 102 m. Therefore, a highly efficient background suppression system is fundamental. In this thesis, we present the cryogenic outer veto prototype and the corresponding tests carried out at IJClab (Orsay, France) that validated the technique used for the identification and rejection of the most penetrating neutrons and gamma rays constituting background radioactivity. In addition, this thesis also covers the BASKET (Bolometers At Sub KeV Energy Threshold) activity, an R&D project aiming at the development of innovative cryogenic detectors for the CEvNS detection. We coupled different thermal sensors to Li₂WO₄ crystals. In this thesis, we report the main results obtained so far.