Développement et analyse de données des prototypes du projet R2D2, visant à l’optimisation d’une TPC de xénon sous haute pression pour la recherche de la double désintégration bêta sans émission de neutrino

Development and data analysis of the R2D2 prototypes, aiming at the optimisation of a high pressure xenon gas TPC for neutrinoless double beta decay search

• Auteur / Autrice : Pierre Charpentier
• Direction : Anselmo Meregaglia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 10/04/2025
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Deux Infinis (Bordeaux ; 2022-....)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Giovinazzo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Lautridou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Davide Franco, Margherita Buizza Avanzini
• DOI : 10.70675/879f36a4zc400z4f88z9bcczbb091fa023a7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse des données

Détecteurs gazeux (radioactivité)

Désintégration double bêta sans neutrino

Traitement du signal

Neutrinos

Mots clés libres

Double Béta

Neutrino

Analyse des données

Traitement du signal

Détecteur Gazeux

Double Béta

Neutrino

Data Analysis

Signal Treatment

Gas Detector

Résumé

Si le Modèle Standard (MS) de la physique des particules suppose un neutrino de Dirac sans masse, les découvertes de la fin du XXème siècle infirment cette hypothèse. Ainsi, certaines extensions modernes du MS supposent un neutrino dit de Majorana où neutrino et antineutrino ne sont plus deux particules distinctes, mais une seule et même particule fondamentale. Le processus de désintégration double bêta sans émission de neutrino permettrait de confirmer la nature Majorana du neutrino, mais reste encore un défi pour la physique expérimentale. Le travail effectué dans le cadre de cette thèse s'inscrit dans la recherche de l'observation du processus par la collaboration R2D2 actuellement en phase de recherche et développement (R&D). L'objectif principal de la R&D est d'étudier les capacités de résolution en énergie de chambres à projection temporelle sous xénon haute pression (HPXe-TPC). Le but de la R&D est de démontrer la faisabilité d'un détecteur de résolution en énergie de 1 % FWHM à 2.46 MeV avec du xénon sous haute pression. Pour répondre à cet objectif, quatre prototypes de détecteur, conçut par la collaboration R2D2, ont été étudiés au Laboratoire de Physique des 2 infinis de Bordeaux. Deux géométries de compteur proportionnel, sphérique (SPC) et cylindrique (CPC), furent testées dans diverses conditions expérimentales et deux régimes de fonctionnement. Le travail réalisé sur les circuits de purification et recirculation du gaz a permis de réaliser des mesures jusqu'à 10 bar de pression en argon et 6 bar en xénon. Ces mesures ont permis d'obtenir des mesures de résolution autour de 1 % FWHM pour des alphas issus de la désintégration du 210Po d'énergie 5.3 MeV en argon et xénon. Les avantages des CPC sur les SPC ont convaincu la collaboration R2D2 de continuer à développer cette technologie pour les futurs travaux en vue du déploiement d'un détecteur.

While the Standard Model (SM) of particle physics assumes a massless Dirac neutrino, discoveries of the late 20th century have contradicted this hypothesis. Some modern extensions of the SM assume a so-called Majorana neutrino, where neutrino and antineutrino are no longer two distinct particles, but a single fundamental particle. Observation of the neutrinoless double-beta decay process would make it possible to confirm the Majorana nature of the neutrino, but this remains a challenge for experimental physics. The work carried out as part of this thesis is part of the research for the observation of this process by the R2D2 collaboration, which is currently in the research and development (R&D) phase. The main objective of the R&D is to study the energy resolution capacities of high-pressure xenon time-projection chambers (HPXe-TPC). The ultimate goal of R&D is to demonstrate the feasibility of a detector with energy resolution of 1% FWHM at 2.46 MeV using high-pressure xenon. To meet this objective, four prototypes of the detector, designed by the R2D2 collaboration, were studied at the Laboratoire de Physique des 2 infinis in Bordeaux. Two proportional counter geometries, spherical (SPC) and cylindrical (CPC), were tested under various experimental conditions and two gaseous detection regions. Work carried out on the gas purification and recirculation circuits has led to measurements at pressures up to 10 bar in argon and 6 bar in xenon. These measurements enabled us to obtain resolution measurements at the 1% FWHM level for alpha resulting from the decay of 210Po of energy 5.3 MeV in argon and in xenon. The advantages of CPCs over SPCs have convinced the R2D2 collaboration to continue developing this technology for future detector deployment.