Search of the neutrino nature throught the neutrinoless double beta decay : Characterisation and optimisation of the SuperNEMO calorimeter and impact on the search of the 82Se decay : Development of the first prototype LiquidO
Recherche de la nature du neutrino via la décroissance double bêta sans émission de neutrinos : Caractérisation et optimisation du calorimètre SuperNEMO et impact sur la recherche de la décroissance du 82Se : Développement du premier prototype LiquidO
Résumé
The search for neutrinoless double-beta decay (bb0nu) is currently the only known way of determining the nature of the neutrino. The SuperNEMO detector aims to detect this decay, which would prove the neutrino's Majorana nature. It is currently in its commissioning phase at the Laboratoire Souterrain de Modane. Thanks to its unique technology - which combines a calorimeter to measure particles' energies and times of flight, and a tracker to identify particles and reconstruct their trajectories - SuperNEMO aims to reach a sensitivity of 10^26 years (corresponding to an effective neutrino mass of 50 meV) for the bb0nu half-life of 82Se, through V-A light neutrino exchange. This technique also allows a search for new physics mechanisms, and the study of decays to excited states of the daughter nucleus.The work documented in this thesis contributes to improved modelling of the SuperNEMO calorimeter's response, by taking into account nonlinear light-production effects (Birks, Cerenkov), as well as geometrical effects on the photon-collection efficiency of the optical modules (an assembly consisting of a plastic scintillator block and a photomultiplier tube (PMT)) that make up the calorimeter. This study, which is based on a GEANT4 optical simulation, generated correction factors to be used when reconstructing the energy deposited by particles in SuperNEMO's optical modules. In addition, the impact of these corrections on the detector's sensitivity to bb0nu from 82Se to excited states of its daughter nucleus was studied. Using SuperNEMO's initial data, characterisation studies of the calorimeter response were performed, with a focus on the evolution and equalisation of PMT gains.In parallel, R&D work on the LiquidO project was carried out, to study the feasibility of a next-generation double-beta decay experiment using a new opaque liquid scintillator. The first measurements with an electron beam, completed by optical simulations, allowed an initial validation of this new calorimetric approach.
L'étude de la décroissance double bêta sans émission de neutrino (bb0nu) est aujourd'hui le seul moyen de déterminer quelle est la nature du neutrino. Dans le but de détecter cette décroissance qui prouverait la nature de Majorana du neutrino, le détecteur SuperNEMO est en phase de mise en route au Laboratoire Souterrain de Modane. A l'aide de sa technologie unique associant un calorimètre pour la mesure de l'énergie et du temps de vol des particules, et un trajectographe pour identifier les particules et reconstruire leur trajectoire, SuperNEMO vise une sensibilité sur la demi-vie de la décroissance bb0nu du 82Se par échange de neutrino léger V-A de 10^26 ans (soit une masse effective du neutrino de 50 meV). La technique permet aussi de rechercher le mécanisme de nouvelle physique mis en jeu et l'étude de décroissances vers les états excités du noyau fils.Ce travail de thèse a porté sur l'amélioration de la modélisation de la réponse du calorimètre de SuperNEMO en prenant en compte l'ensemble des processus non linéaires de production de lumière (Birks, Cerenkov) ainsi que l'effet de collection géométrique des photons dans les modules optiques (association d'un scintillateur plastique et d'un photomultiplicateur (PM)) du calorimètre. Cette étude basée sur des simulations optiques avec le logiciel GEANT4 a permis de produire des facteurs correctifs sur l'énergie déposée par les particules pour l'ensemble des modules optiques de SuperNEMO. L'impact de ces corrections sur la sensibilité du détecteur à la décroissance bb0nu du 82Se vers les états excités du noyau fils a ensuite été étudié. Des études de caractérisation de la réponse du calorimètre avec les premières données du détecteur ont également été réalisées, notamment sur l'évolution des gains des PM et leur uniformisation.En parallèle, des travaux de Recherche et Développement ont été menés dans le cadre du projet LiquidO afin d'étudier la faisabilité d'une nouvelle génération d'expériences double bêta à l'aide d'un nouveau scintillateur liquide opaque. Des premières mesures avec faisceau d'électrons complétées par des simulations optiques ont permis une première validation de cette nouvelle approche calorimétrique.
Origine : Version validée par le jury (STAR)