Bruit de fond de l'expérience

La rareté des évènements ββ0ν recherchés impose des niveaux de bruit de fond extrêmement bas, de l'ordre de quelques évènements pendant tout le temps de prise de données (quelques années) dans la zone en énergie du signal recherché. Ces évènements venant polluer le signal se distinguent par leur origine : interne ou externe aux feuilles sources.

2.9.1 Bruit de fond interne

Le bruit de fond interne prend son origine au niveau des feuilles sources. Il s'agit plus particulièrement des contaminations radioactives en 214Bi (Qβ = 3,27 MeV) et en 208Tl (Qβ

CHAPITRE 2. DESCRIPTION DU DÉMONSTRATEUR DE SUPERNEMO 2,995 MeV du 82Se. La gure 2.16 permet de décrire les diérents processus mis en jeu dans l'origine du bruit de fond interne, à savoir :

 une désintégration β− suivie d'une conversion interne du noyau ls ;

 une désintégration β− suivie de l'émission d'un photon gamma faisant une diusion Compton dans la source ;

 une désintégration β− suivie d'une diusion Möller dans la feuille source.

Figure 2.16  Illustration des principaux processus à l'origine du bruit de fond interne.

Les processus décrivant une désintégration bêta suivie d'une conversion interne ou d'une diusion Möller ne sont pas réductibles autrement qu'en diminuant la quantité de contaminants des sources. Le processus de désintégration bêta suivi d'une diusion Compton peut être rejeté dans certains cas à partir des vertex d'émission. En eet, si la seconde diusion a lieu à une distance susante de la première, cet écart sur la reconstruction des vertex sera visible grâce au trajectographe et l'évènement sera supprimé.

Ajoutons qu'il existe un ultime bruit de fond irréductible : la double désintégration bêta avec émission de neutrinos. Il est possible de le réduire en sélectionnant un isotope avec une demi-vie T2ν

1/2 la plus longue possible ou en améliorant la résolution en énergie du détecteur.

2.9.2 Bruit de fond externe

Le bruit de fond externe prend son origine en dehors des feuilles sources. Il peut s'agir soit du radon qui migre en direction des feuilles sources créant alors un bruit de fond selon les mécanismes décrits précédemment soit des rayonnements gamma d'énergie proche ou supérieure à Qββ pouvant interagir dans les feuilles sources. Dans ce dernier cas, les photons gamma peuvent créer un signal à deux traces par création de paire, double diusion Compton ou diusion Compton suivie d'une diusion Möller (gure 2.17).

Les sources de tels rayonnements sont les suivantes :

 les contaminations des matériaux composant le détecteur en 208Tl. Le photon gamma de haute énergie (E208T l

γ = 2,6 MeV) émis à chaque désintégration peut contribuer au bruit de fond à cause de la résolution en énergie. Un autre mécanisme est possible : le photon gamma déclenche un module optique duquel l'électron émis lors de la décroissance

CHAPITRE 2. DESCRIPTION DU DÉMONSTRATEUR DE SUPERNEMO

Figure 2.17  Illustration des principaux processus à l'origine du bruit de fond gamma externe.

s'échappe et traverse la chambre à ls (ou est rétrodiusé sur la source) pour interagir avec un second module. Une mauvaise reconstruction du temps et de la courbure de la trace reconstruite peuvent conduire à confondre cet évènement avec un signal.

 les muons cosmiques de très haute énergie. Pour diminuer le ux de muons consmiques, les expériences recherchant des désintégrations double bêta sont construites dans des laboratoires souterrains, la matière située au-dessus faisant oce de blindage naturel. Ainsi, SuperNEMO, et NEMO3 avant lui, ont été installés au Laboratoire Souterrain de Modane (gure 2.18). Ce laboratoire, situé dans le tunnel du Fréjus sous la pointe du Fréjus, est protégé par 1780 m de roche (4800 m équivalent eau). Cette épaisseur de roche permet d'atténuer d'un facteur 2,5 millions le ux de muons cosmiques dans le laboratoire, le réduisant ainsi à 4 muons/m2/jour. Les muons interagissant dans la roche proche du détecteur peuvent produire des rayons gamma par Bremsstrahlung ou des neutrons par spallation. Ce bruit de fond est négligeable dans SuperNEMO.

Figure 2.18  Position du Laboratoire Souterrain de Modane dans le tunnel du Fréjus.

 les neutrons. Ils peuvent être produits par l'interaction des muons dans l'environnement proche du détecteur, ou par toute contamination radioactive pouvant décroître par ssion

CHAPITRE 2. DESCRIPTION DU DÉMONSTRATEUR DE SUPERNEMO spontanée ou par réaction (α,n). Les neutrons peuvent ensuite être capturés par les parties en fer ou en cuivre du détecteur, conduisant à une désexcitation radiative produisant un ou plusieurs photon(s) gamma de haute énergie (jusqu'à 10 MeV). Le blindage neutron et la sélection de matériaux radiopurs permettent de rendre ce bruit de fond négligeable.  le fond gamma ambiant du laboratoire lié à la radioactivité naturelle de la roche, aux

neutrons et aux muons. Ce bruit de fond est supprimé par la présence du blindage de fer autour du détecteur.

Le démonstrateur est aujourd'hui en cours de mise en route avec la caractérisation du calorimètre (cf. chapitre 4) et du trajectographe. Cette première phase va permettre une prise de données de bruit de fond externe, sans blindages. Très prochainement va débuter l'assemblage de la bobine et de la tente anti-radon pour une deuxième phase de prise de données sans radon. Enn, les blindages gamma et neutron seront installés pour procéder à la prise de données en conguration nale à partir de la n de l'année 2021.

Chapitre 3

Développement de corrections optiques

pour le calorimètre de SuperNEMO

Sommaire

3.1 Modules optiques . . . 55