Choix des isotopes

2.2.3 Purication des sources . . . 56 2.2.4 Production des feuilles sources . . . 56

2.3 Trajectographe . . . . 57

2.3.1 Géométrie des cellules . . . 58 2.3.2 Fonctionnement. . . 58 2.3.3 Composition du gaz . . . 59

2.4 Calorimètre . . . . 60

2.4.1 Méthodes d'étalonnages du calorimètre . . . 61

2.5 Stratégie du système de déclenchement de SuperNEMO . . . . 65

2.6 Bruit de fond . . . . 66

2.6.1 Bruit de fond de l'expérience SuperNEMO . . . 66

2.6.2 Mesure de radiopureté . . . 69

La collaboration internationale NEMO (Neutrino Ettore Majorana Observatory) a comme objec-tif de mettre en place des expériences dédiées à la recherche d'évènements rares : les désintégrations double bêta sans émission de neutrinos (ββ0ν). Dans cette optique, le détecteur SuperNEMO est une expérience de nouvelle génération succédant au détecteur NEMO3 . Le démonstrateur de l'expé-rience SuperNEMO est en cours d'installation au sein du Laboratoire Souterrain de Modane avec les premières données attendues dès le début de l'année 2018. Ce chapitre est dédié à la description du démonstrateur.

2.1 Démonstrateur SuperNEMO

Le projet SuperNEMO succède à l'expérience NEMO3 et fait partie de la nouvelle génération des détecteurs recherchant la double désintégration bêta sans émission de neutrinos. La philosophie est la même que celle de son prédécesseur avec l'utilisation de la technologie combinant un trajectographe

et un calorimètre entourant des feuilles sources composées d'émetteurs double bêta. Cette spécicité des détecteurs NEMO permet ainsi de mesurer plusieurs observables physiques : l'énergie totale, l'énergie individuelle des particules, leur trajectoire et donc l'angle entre les particules émises. Le principe général de la mesure est résumé sur la gure 2.1. L'objectif du détecteur SuperNEMO est d'atteindre une sensibilité de 1026 ans sur le temps de demi-vie du processus ββ0ν du 82Se qui est l'isotope principal retenu pour ce projet.

Figure 2.1: Schéma de principe de détection d'évènements de type double bêta avec la technique des détecteurs NEMO.

An d'atteindre cet objectif, de nombreux travaux de R&D ont été menés depuis 2005 pour améliorer les performances obtenues dans l'expérience NEMO3. Les principales améliorations se sont portées sur l'enrichissement et la radiopureté des sources double bêta, la résolution en énergie du calorimètre et la réduction du taux de radon dans le trajectographe qui est un problème majeur dans le détecteur, comme nous le verrons par la suite.

Le détecteur complet de SuperNEMO consistera en un ensemble de 20 modules identiques et indépendants, de géométrie plane et contenant chacun 5 kg d'isotopes doubles bêta. Le premier de ces modules, appelé démonstrateur, mesure 6 m de longueur pour 2 m de largeur et 4 m de hauteur (voir gure2.2). Celui-ci constitue la première phase de l'expérience SuperNEMO avec 7 kg de 82Se. La construction du détecteur est sur le point d'être nalisée au Laboratoire Souterrain de Modane (LSM), ce qui permettra les premières prises de données à la n de l'année 2017. L'objectif principal du démonstrateur est de prouver la faisabilité de ce type d'expérience par la vérication des performances de détection ainsi que des niveaux de radiopureté. La sensibilité du démonstrateur

pour une durée d'acquisition de 2,5 ans est de l'ordre de 4,9 1024ans sur la demi-vie de la décroissance ββ0νdu82Se. Cette limite sur le temps de décroissance correspond à une masse eective du neutrino comprise entre 0,26 et 0,51 eV. La comparaison des performances atteintes pour NEMO3 et attendues pour le démonstrateur ainsi que le détecteur complet SuperNEMO est présentée dans le tableau2.1.

Figure 2.2: Vue éclatée du démonstrateur SuperNEMO montrant la disposition des diérents élé-ments qui le composent (cadre source, trajectographe et calorimètre).

Les prochains paragraphes de ce chapitre ont pour objectif de présenter les diérents éléments du détecteur (source, trajectographe, calorimètre et blindages) an d'expliquer leur disposition ainsi que leur fonctionnement. De plus, une partie sera dédiée aux diérents bruits de fond de ce type d'expérience ainsi que les moyens mis en place par la collaboration an de les réduire au maximum.

2.2 Feuilles sources double bêta

2.2.1 Choix des isotopes

Un des éléments clés de la technique utilisée pour les détecteurs NEMO est la possibilité de mesurer diérents isotopes double bêta. La source étant séparée du reste du détecteur, il est tou-jours possible, après installation du détecteur, d'extraire et d'échanger les feuilles sources pour les remplacer par un nouvel isotope.

A l'inverse des autres expériences double bêta où la source est aussi le détecteur, il existe moins de contraintes matérielles sur le choix de l'isotope autre que les paramètres de base communs à l'en-semble des expériences. En eet, l'isotope retenu doit remplir la majorité des paramètres suivants :

Paramètre NEMO3 Démonstrateur SN SuperNEMO

Ecacité ββ0ν (%) 18 ∼30 % ∼30 %

Isotope principal ^{7 kg de100Mo 7 kg de 82Se 100 kg de}₍150Nd,48⁸²Ca)^Se

Exposition (kg.an) 34,3 17,5 ∼500

Résolution en énergie FWHM 13,4-19,8 % à 1 MeV ∼ 8 % à 1 MeV ∼8 % à 1 MeV

208Tl dans les sources (µBq/kg) ∼100 < 2 < 2

214Bi dans les sources (µBq/kg) ∼300 < 10 < 10

222Rn dans le gaz (mBq/m3) ∼6 [Phase 2] < 0,15 < 0,15 Sensibilité sur T0v

1/2 (ans) 1,1 1024 ∼4,8 1024 ∼ 1026

Sensibilité sur mββ (eV) [0,33 - 0,62] [0,26 - 0,51] ∼0,05 Table 2.1: Tableau regroupant les caractéristiques et performances attendues de l'expérience Su-perNEMO (démonstrateur et version complète) comparées à celles obtenues avec NEMO3.

 posséder une énergie de transition Qββ élevée an de réduire le bruit de fond lié à la ra-dioactivité naturelle, et de préférence supérieure à 2,615 MeV qui correspond à l'énergie du rayonnement gamma le plus élevée de la radioactivité naturelle (décroissance du 208Tl issu de la chaine du 232Th),

 avoir une abondance isotopique naturelle susante pour permettre la procédure d'enrichis-sement,

 posséder une procédure d'enrichissement réalisable pour les quantités requises,

 posséder un facteur d'espace de phase G0v susamment grand pour diminuer la demi-vie T_1/2^0v,

 disposer d'un élément de matrice nucléaire lié à la transition ββ0ν favorable,

 avoir une demi-vie de la désintégration ββ2ν la plus longue possible an de réduire au maxi-mum le bruit de fond ultime au processus ββ0ν.

Aujourd'hui, les isotopes les plus favorables concernant l'espace de phase ainsi que la possibilité d'enrichissement restent le100Mo et le82Se. Néanmoins, le sélénium présente un avantage important avec une demi-vie du processus ββ2ν plus grande que celle du molybdène (tableau 1.4). Ainsi, la composante de bruit de fond attendue pour le sélénium sera moins élevée, de l'ordre d'un facteur 10. Toutes ces raisons font que le 82Se est l'isotope retenu pour le démonstrateur.

Cependant, un important travail de prospective et de R&D a été réalisé an d'observer la fai-sabilité d'enrichissement d'autres éléments présentant des avantages par rapport au sélénium. Les deux isotopes concernés sont le 48Ca et le 150Nd. Le plus grand avantage de ces isotopes concerne leur énergie de transition Qββ importante (3367 keV pour le 150Nd et 4271 keV pour le 48Ca) qui permet de s'aranchir d'une très grande partie des bruits de fond liés à la radioactivité naturelle. De plus, l'espace de phase de ces deux isotopes est également plus favorable.