Développement de compteurs à scintillation hautes performances et de très basse radioactivité pour le calorimètre du projet SuperNEMO

Emmanuel Chauveau

Description

Sous la direction de Fabrice Piquemal
Thèse soutenue le 18 novembre 2010: Bordeaux 1
SuperNEMO est un projet de détecteur de nouvelle génération pour la recherche de la décroissance double bêta sans émission de neutrinos. La technique expérimental déployée est dans la lignée du son prédécesseur NEMO3, combinant un trajectographe et un calorimètre, afin d’identifier non seulement les électrons des décroissances double bêta, mais également pour mesurer l’ensemble des composantes de bruit de fond du détecteur. Le projet vise ainsi une sensibilité de 10^26 ans sur la période du 82Se, ce qui permettrait de sonder une masse effective du neutrino de 50 meV. Pour atteindre cette sensibilité, le projet prévoit notamment de mettre en place un calorimètre composé d’un millier de compteur à scintillation de basse radioactivité, dont la résolution en énergie serait meilleure que 8 % FWHM pour des électrons de 1 MeV.Ce travail de thèse apporte une contribution importante dans les travaux de Recherche et Développements pour améliorer les performances des scintillateurs et photomultiplicateurs, et pour réduire leur radioactivité, avec notamment la conception d’un nouveau photomultiplicateur en collaboration avec Photonis.
-Neutrino
-Double décroissance bêta
-Calorimètrie
-Scintillateur
-Photomultiplicateur
SuperNEMO is a next generation double beta decay experiment which will extend the successful “tracko-calo” technique employed in NEMO 3. The main characteristic of this type of detector is to identify not only double beta decays, but also to mesure its own background components. The projet aims to reach a sensitivity up to 1026 years on the half-life of 82Se. One of the main challenge of the Research and Development is to achieve an unprecedented energy resolution for the electron calorimeter, better than 8 % FWHM at 1 MeV.This thesis contributes to improve scintillators and photomultiplicators performances and reduce their radioactivity, including in particular the development of a new photomultiplier in collaboration with Photonis.
-Neutrino
-Double beta decay
-Calorimeter
-Scintillator
-Photomultiplier
Source: http://www.theses.fr/2010BOR14103/document

Sujets

• Calorimétrie
• Scintillateur
• Photomultiplicateur

Informations

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• Poids de l'ouvrage: 8 Mo

Extrait

Thèse
présentée à
L’Université Bordeaux 1
par
Emmanuel CHAUVEAU
pour obtenir le grade de
Docteur
spécialité
Astrophysique, Plasma et Corpuscules
Développement de compteurs à scintillation
hautes performances et de très basse radioactivité
pour le calorimètre du projet SuperNEMO
Soutenue le 18 novembre 2010 devant la commission d’examen formée de :
M. J.-C. CAILLON Professeur, Université Bordeaux 1 Président du Jury
M. D. DUCHESNEAU Directeur de Recherche, CNRS Examinateur
M. M. DRACOS Directeur de Recherche, Rapporteur
M. K. LANG Professeur, University of Texas Rapp
M. P. LAVOUTE Ingénieur Photonis Examinateur
Mme C. MARQUET Chargée de Recherche, CNRS Examinatrice
M. F. PIQUEMAL Directeur de Recherche, CNRS Directeur de thèse
Numéro d’ordre : 52302Remerciements
Je tiens en premier lieu à remercier Photonis, sans qui cette thèse n’aurait pas eu lieu,
et notamment pour son soutien jusqu’à la fin compte tenu des événements économiques
avec l’arrêt des activités photomultiplicateurs en plein milieu de ces trois années. Je garde
un souvenir très agréable des nombreuses réunions de travail à Bordeaux et à Brives avec
Bruno, Pascal, Cyril, François, Anne-Gaelle, ... Ces rencontres est toujours été constructives,
conduisant rapidement et efficacement aux progrès technologiques décrits dans ce manuscrit.
Merci aux membres du jury et aux rapporteurs pour leur examen du travail de thèse,
entre autres à Jean-Christophe Caillon pour avoir accepté de présider le jury de thèse et de
s’être plongé pleinement dans ces travaux expérimentaux, ce qui n’est pas toujours une tâche
aisée pour un théoricien (et inversement).
Je remercie les membres du groupe Neutrino du CENBG qui m’ont accompagnés pendant
ces quelques années et tout d’abord Jean-Stephane pour m’avoir accueilli aux cours de deux
stages consécutifs et initié à la physique des neutrinos. Cette approche m’a apporté des bases
solides pour travailler dans le monde de la recherche et a été décisive dans le choix que j’ai
fait de poursuivre mon cursus dans cette voie.
Merci à Fabrice pour avoir été mon directeur de thèse, pour avoir passé son HDR afin
de l’être, et pour d’avoir gardé un œil sur l’avancement des travaux malgré ses différentes
fonctions et son planning très chargé.
Un grand merci à Christine pour avoir guidé de A à Z cette thèse et pour l’avoir fait
aboutir. Son aide a vraiment été inestimable, particulièrement pendant la phase terminale.
Bravo à sa persévérance et son courage pour avoir affronté une succession d’obstacles et
d’événements difficiles sans jamais baisser les bras.
Une grande reconnaissance envers Guillaume pour avoir poursuivi le fil de cette thèse et
achevé le travail : la différence de performances entres les photomultiplicateurs Photonis et
Hamamatsu, constatée et interprétée durant ma thèse, a progressivement été réduite. Ainsi,
début 2011, des performances équivalentes sont atteintes entre les derniers PMs Hamamatsu
et les meilleurs PMs Photonis produits deux ans auparavant.
Enfinmerciauxautresmembresdugroupe:audoyenPhilippeHubertpoursasagesseetsa
présence éternelle au laboratoire, Fred et ses inimitables imitations, Abdel et ses savoureuses
pâtisseries, ...
Je remercie le directeur Bernard Haas pour m’avoir donné la possibilité de réaliser ma
thèse au CENBG. J’en profite pour remercier également les services mécanique, électronique,
instrumentation et informatique du laboratoire, qui ont tous été sollicités un moment ou un
autre au cours de ce travail de thèse.
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Quelle chance d’avoir pu participer au projet international SuperNEMO, au sein d’une
collaboration de taille humaine, chaleureuse, mûre et passionnée dans son travail! Je pense
immédiatement aux plus jeunes, la fameuse “barbotage team” avec Anastasia, Benton,
Christopher, Frederico, Irina, Matt, Mathieu, ... Que de bons moments et de souvenirs
inoubliables passés ensemble un peu partout en Europe, et singulièrement à Dubna en Russie.
Merci aux membres plus expérimentés et notamment à Karol, Ruben et Jenny pour leurs
remarques pertinentes et constructives au cours des réunions de collaboration. J’exprime ma
gratitude envers Serge, un des initiateurs de la technique tracko-calo déployée dans NEMO 3
qui reste présent et qui suit de très près le projet SuperNEMO.
L’expérience NEMO 3 a été une grande réussite technologique et humaine. Le détecteur
a été éteint avec émotion le 11 janvier 2010 après presque 8 années de fonctionnement (et
autant d’années pour sa conception et sa construction). Je souhaites sincèrement un destin
identique au projet SuperNEMO.
Une énorme dédicace aux doctorants et post-doctorants du laboratoire! A Jérôme et
Pauline pour leur amitié et leur festivité, autant à l’intérieur qu’à l’extérieur du laboratoire.
A Guillaume et Nico, mes potes, que dis-je, mes vieilles fripouilles! A Iulia, Nuria et Teresa
pour leur tendresse et gentillesse, à Antoine et Christophe pour leur bon vivant, et à tous
les autres avec qui j’ai partagé des moments au cours de la thèse : Cam Ha, Cyril, Julien,
Laurent, Ludo, Marie Hélène, Mathias, Mathieu, ... C’était génial!
Une pensée aux amis en dehors du laboratoire, à Antho, Flo, Mathieu, Pierre, Théo,
Yohan, ... et à ceux de plus longue date : Alex, Nico, Patrice et leurs compagnes respectives.
Et puis la famille bien sûr : mes parents, les quatre frangins-frangines, la douzaine de
tontons-tatas et la quarantaine de cousins-cousines qui essayent, tous, encore et toujours, de
comprendre ce que je peux bien faire avec des neutrinos!
Une profonde reconnaissance aux artistes qui ont bercés mes derniers mois de rédaction,
particulièrement toux ceux derrière le netlabel Kahvi et la radio Limbik Frequencies. Quelle
émotion et quelle nostalgie dès que je tombe sur certains morceaux d’Alphawesen, Bola,
Coppe, eDiT, Kettel, Jon Hopkins, Luga, Lusine, Sincere Trade, Yimino et tant d’autres.
Une clin d’œil à toi, “Sceli”, un sceliphron caementarium très dynamique, pour m’avoir
accompagné quelques jours en plein d’été pendant la rédaction à faire ton nid dans mon
bureau. Longue vie à ta progéniture!
Pour terminer, je tiens à dédicacer ce mémoire à Laura, que j’ai rencontré au cours de
la thèse et avec qui je suis heureux de partager ma vie aujourd’hui. La fin de thèse n’a pas
été facile comme pour la plupart des couples dans cette situation j’imagine ... et j’espère! Lo
siento mimi pero, como dices, es asi la cosa, sabes!;)Table des matières
Introduction 9
1 Physique du Neutrino et décroissance double bêta 13
1.1 Physique du neutrino dans le Modèle Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1.1 Le Modèle Standard de la physique des particules . . . . . . . . . . . 15
1.1.2 Théorie électrofaible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.1.3 Limitations du Modèle Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2 Le neutrino au début du 21ème siècle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.1 Origines de la masse du neutrino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.2 Mélange et oscillation des neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2.3 Expériences d’oscillation et mesure des paramètres de mélange . . . . 28
1.2.4 Vers une masse absolue du neutrino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.3 Décroissance double bêta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.3.1 Double décroissance bêta avec émission de neutrinos . . . . . . . . . . 37
1.3.2 Décroissance double bêta sans de neutrinos . . . . . . . . . . 38
1.3.3 Calculs des éléments de matrice nucléaire . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.3.4 Approches expérimentales pour la recherche d’un signal ββ0ν . . . . . 42
1.3.5 État des lieux des principales expériences passées . . . . . . . . . . . . 44
1.3.6 Panorama de quelques projets d’expériences . . . . . . . . . . . . . . . 48
2 De NEMO 3 à SuperNEMO 53
2.1 Expérience NEMO 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.1.1 Présentation du détecteur NEMO 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.1.2 Résultats de NEMO 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.1.3 Limitations du détecteur NEMO 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.2 Projet SuperNEMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.2.1 Objectif du projet SuperNEMO . . . . . . . . . . . . . . . .