Recherche de la décroissance double bêta sans émission de neutrino avec le Sélénium 82 dans le cadre de l'expérience SuperNEMO

Search for neutrinoless double-beta decay with Selenium 82 in the SuperNEMO experiment

• Auteur / Autrice : Antoine Lahaie
• Direction : Christine Marquet, Frédéric Perrot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Inscription en doctorat le 02/10/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• 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
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Neutrino et Faibles Radioactivités

Mots clés

Mots clés libres

Décroissance Double beta sans neutrinos

SuperNEMO

Technique tracko-calorimetry

Neutrinoless double beta decay

SuperNEMO

Tracko-calorimetry technique

Résumé

L'expérience SuperNEMO est conçue pour rechercher et étudier la décroissance double bêta sans émission de neutrino, un processus interdit par le Modèle Standard de la Physique des Particules qui permettrait de révéler la nature Majorana des neutrinos (particule identique à son antiparticule). Cette propriété fondamentale pourrait expliquer l'asymétrie matière-antimatière observée aujourd'hui dans notre Univers ou encore venir compléter le mécanisme du boson de Higgs pour expliquer la si petite masse des neutrinos. Le détecteur SuperNEMO offre une approche expérimentale unique au monde en combinant un détecteur de traces de particules chargées à un calorimètre mesurant l'énergie des particules. Ce détecteur de forme parallélépipédique (6x4x2m3) contient en son centre 6 kg de sélénium 82 (82Se), isotope potentiellement émetteur double bêta sans émission de neutrinos, sous la forme de fines feuilles métalliques de 350 micromètres d'épaisseur environ. Le trajectographe, constitué de 2034 cellules Geiger de 3 mètres de haut et de 4 cm de diamètre chacune, est situé de part et d'autre des feuilles de 82Se. L'ensemble est entouré de 712 scintillateurs plastiques couplés à des photomultiplicateurs pour la mesure de lʼénergie et du temps de vol des particules. Cette technologie dite «trackocalo» permet d'identifier tous les rayonnements (α, β-, β+ and γ) et donc de distinguer sans ambiguïté les deux électrons des décroissances double bêta. Ce détecteur porté par une collaboration d'une centaine de physicien.ne.s de 9 pays est maintenant installé au Laboratoire Souterrain de Modane en Savoie et sa prise de données commencera en 2023 pour une durée de 3 ans. L'équipe du LP2i Bordeaux a la responsabilité de l'étalonnage du calorimètre et du contrôle des niveaux de radiopureté du détecteur (la radioactivité naturelle peut créer des événements à deux électrons imitant la décroissance recherchée). L'étudiant pourra sʼappuyer sur cette expertise pour réaliser les études de bruits de fond de lʼexpérience à travers lʼanalyse des premières données du détecteur et des données obtenues par simulations. Ces études lui permettront ensuite de rechercher le signal de décroissance double bêta sans émission de neutrinos et dʼavoir ainsi une contribution significative aux résultats qui seront publiés par la collaboration. Le travail de thèse comprendra aussi des missions sur site au Laboratoire Souterrain de Modane pour les campagnes dʼétalonnage ou les interventions sur le détecteur. Le sujet proposé permettra ainsi à lʼétudiant de contribuer pleinement au travail auprès dʼun grand instrument de physique des particules au sein dʼune communauté internationale et à un moment clé du projet correspondant au lancement de la prise de données du détecteur 1ère année : étude des bruits de fond « externe » (d'origine externe au détecteur) sans et avec les blindages neutrons et gamma. Cette première année de thèse coïncide avec l'installation successive des protections du détecteur contre les rayonnements ambiants gamma et neutrons. L'étudiant pourra donc quantifier l'effet de ces blindages sur le bruit de fond de l'expérience. L'effet du blindage contre les neutrons pourra être faite via une campagne de mesures sur le site du LSM avec une source de neutrons dédiée. 2ème année : étude des bruits de fond « internes » (dus à la radioactivité résiduelle infime à l'intérieur du détecteur), notamment le Radon. Ce bruit de fond peut être étudié par deux canaux dédiés, via la détection d'une coïncidence électron-alpha (effet BiPo) mais aussi via la coïncidence électron-gammas. L'évaluation du bruit de fond Radon est un enjeu crucial pour l'expérience SuperNEMO comme pour toutes les expériences actuelles de recherche d'événements rares. Les résultats de cette étude réalisée par le doctorant permettront de valider si les niveaux d'activité requis de l'ordre de 0,2 mBq/m3 sont bien atteints grâce à la R&D menée en amont. Ce travail débouchera sur une publication portant sur les bruits de fond du détecteur. L'ensemble de ces études sur le bruit de fond permettra à l'étudiant d'analyser ensuite le canal principal de SuperNEMO, à savoir des événements correspondant à l'émission simultanée de 2 électrons d'un même vertex avec une énergie somme de 3 MeV. 3 ème année : publication des résultats de SuperNEMO. Le doctorant bénéficiera de 2 années complètes de prises de données pour rechercher le processus de décroissance double bêta sans émission de neutrino avec une sensibilité à la demi-vie supérieure à 1024 ans et être ainsi un acteur majeur dans la publication des premiers résultats de l'expérience SuperNEMO dans le canal d'analyse principal. Cette 3ème année sera aussi l'occasion de présenter ses résultats dans des conférences internationales.

The SuperNEMO experiment is designed to investigate neutrino-free double beta decay double beta decay without neutrino emission, a process forbidden by the Standard Model of Particle Physics, which would reveal the Majorana nature of neutrinos (a particle identical to its antiparticle). This fundamental property could explain the matter-antimatter asymmetry observed today in our Universe, or complement the Higgs boson mechanism to explain the very small mass of neutrinos. The SuperNEMO detector offers a unique experimental approach, combining a charged particle track detector with a calorimeter to measure particle energy. The parallelepiped-shaped detector (6x4x2m3) contains 6 kg of selenium 82 (82Se), a potential double-beta emitting isotope with no neutrino emission, in the form of thin metal sheets around 350 micrometers thick. The trajectograph, consisting of 2034 Geiger cells, each 3 metres high and 4 cm in diameter, is located on either side of the 82Se sheets. The assembly is surrounded by 712 plastic scintillators coupled to photomultipliers to measure the particlesʼ energy and time of flight. This so-called ''trackocalo'' technology identifies all radiation (α, β-, β+ and γ) and thus unambiguously distinguishes between the two electrons in double-beta decays. This detector, carried by a collaboration of around a hundred physicists from 9 countries, is now installed at the Modane Underground Laboratory in Savoie, and data collection will begin in 2023 for a period of 3 years. The LP2i Bordeaux team is responsible for calibrating the calorimeter and controlling the detector's radiopurity levels (natural radioactivity can create two-electron events mimicking the decay sought). The student will be able to draw on this expertise to carry out background studies of the experiment through the analysis of initial detector data and data obtained from simulations. These studies will then enable him to search for the double-beta decay signal without neutrino emission, and thus make a significant contribution to the results to be published by the collaboration. The thesis work will also include on-site missions to the Modane Underground Laboratory for calibration campaigns or interventions on the detector. The proposed topic will thus enable the student to make a full contribution to work with a major particle physics instrument within an international community, and at a key moment in the project corresponding to the launch of data acquisition from the detector. 1st year: study of ''external'' background noise (from outside the detector) without and with neutron and gamma shielding. This first year of the thesis coincides with the successive installation of the detector's shielding against ambient gamma and neutron radiation. The student will therefore be able to quantify the effect of these shields on the experiment's background. The effect of neutron shielding can be measured via a dedicated neutron source at the LSM site. neutron source. 2nd year: study of ''internal'' background noise (due to minute residual radioactivity inside the detector), in particular Radon. This background can be studied using two dedicated channels, via electron-alpha coincidence detection (BiPo effect) and electron-gammon coincidence. Assessing the Radon background is a crucial issue for the SuperNEMO experiment, as it is for all current experiments searching for rare events. The results of the PhD student's study will help validate whether the required activity levels of around 0.2 mBq/m3 are being achieved thanks to the R&D carried out upstream. This work will lead to a publication on detector background noise. All these background studies will then enable the student to analyze SuperNEMO's main channel, i.e. events corresponding to the simultaneous emission of 2 electrons from the same vertex with a sum energy of 3 MeV. 3 rd year: publication of SuperNEMO results. The PhD student will benefit from 2 full years of data acquisition to investigate the process of decay process with a half-life sensitivity greater than 1024 years, and thus play a major role in the publication of the first results of the SuperNEMO experiment in the main analysis channel. This 3rd year will also be an opportunity to present our results at international conferences.