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

Abstract

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.