La fonction du trajectographe est de reconstruire la trajectoire des particules chargées le parcourant [98]. Il s'agit d'une chambre à ls remplie d'un gaz facilement ionisable dont la composition sera présentée section 2.3.2. Lorsqu'une particule chargée traverse le gaz, les paires électron-ion ainsi créées vont migrer sous l'eet du champ électrique induit par l'application d'une haute tension sur le l anodique. Les électrons se retrouvent accélérés et vont provoquer un phénomène d'avalanche à proximité du l anodique, générant alors un signal rapide. Le temps propre de ce signal associé au temps donné par le calorimètre ayant déclenché lors du dépôt d'énergie par cette même particule permet de calculer la position radiale de la particule traversante.
En parallèle, l'avalanche générée par le déplacement des électrons secondaires produit un plasma Geiger qui se propage jusqu'aux anneaux cathodiques situés à chaque extrémité des cellules. L'arrivée du plasma jusqu'à chaque cathode est associée à un temps. La diérence de ces deux temps permet de remonter à la position longitudinale du signal. La gure 2.5 permet de visualiser la mesure de la position radiale (a) et verticale (b) d'une particule chargée se propageant dans le gaz.
2.3.1 Géométrie
Le trajectographe de SuperNEMO ( gure 2.6-a), est composé de 2034 cellules fonctionnant en régime Geiger. Les cellules sont agencées en 113 rangées de 9 cellules de part et d'autre de la source sur les 6 mètres de longueur du détecteur. Chacune d'elles est un assemblage d'un l anodique en acier de 40 µm de diamètre entouré de 12 ls de masse du même matériau de 50 µm de diamètre. Deux anneaux cathodiques en cuivre, un à chaque extrémité des ls, sont placés entre l'anode et les ls de masse. Les ls de masse sont partagés par les ls anodiques voisins. Un schéma présentant l'agencement relatif des ls et anneaux des cellules est visible gure 2.6-b.
CHAPITRE 2. DESCRIPTION DU DÉMONSTRATEUR DE SUPERNEMO
a b
Figure 2.5 Schéma de principe vue de face (a) et de pro l (b) du fonctionnement d'une cellule du trajectographe dans laquelle un plasma Geiger se propage.
a b
Figure 2.6 Photographie d'une section du trajectographe de SuperNEMO montrant les anneaux cathodiques en cuivre et les ls éclairés (a) et schéma illustrant l'agencement des cellules (b).
Au total, ce sont 14970 ls qui composent le trajectographe. Le tissage de tous ces ls s'est fait de façon semi-automatique à l'aide d'un robot spécialement construit dans ce but. Les cellules ont été produites à Manchester par groupes de 9 × 2 cellules, ensuite assemblés à MSSL (Mullard Space Science Laboratory, UCL) en demi-sections (1/4 du trajectographe) avant d'être envoyées sur le site de construction de l'expérience.
2.3.2 Composition du gaz
Le gaz présent dans le trajectographe doit satisfaire certains critères pour être utilisé. Il est composé de :
94,85 % d'hélium. L'hélium est un gaz neutre et son faible numéro atomique ainsi que sa basse énergie d'ionisation ne dégradent que très peu l'énergie des électrons traversants. 4 % d'éthanol. La propagation du plasma Geiger le long de l'anode ou la neutralisation
des ions He+ peuvent s'accompagner d'émissions de photons UV. Ces photons peuvent à leur tour ioniser le gaz, générant par la même occasion un faux signal. La structure
CHAPITRE 2. DESCRIPTION DU DÉMONSTRATEUR DE SUPERNEMO
moléculaire de l'éthanol permet d'absorber e cacement ces photons, évitant ainsi les redéclenchements.
1 % d'argon. Ce gaz neutre et facilement ionisable favorise la propagation du plasma Geiger le long du l anodique.
0,15 % d'eau. Pour éviter un emballement des avalanches produites dans le gaz, l'ajout d'un élément très électronégatif tel que l'eau permet d'absorber l'excédent d'électrons et de stabiliser le fonctionnement du trajectographe.
Avant d'être injecté dans la chambre, ce mélange gazeux sera ltré pour limiter l'introduction d'impuretés (poussières notamment). De plus, il sera renouvelé en permanence, de 0,5 m3 à 2 m3
par heure, en particulier pour éviter l'accumulation de radon (section 2.6.2).
2.3.3 Reconstruction des traces
Le rôle du trajectographe est donc de reconstruire la trajectoire d'une particule ayant interagi dans la chambre. Le premier avantage de cet instrument est l'identi cation des particules :
Alpha : un noyau d'hélium va perdre son énergie sur quelques centimètres dans le gaz remplissant le trajectographe et n'atteindra pas le calorimètre. Une trace très courte dans le trajectographe sans dépôt d'énergie dans le calorimètre est caractéristique d'une émission alpha.
Gamma : les photons gamma étant électriquement neutres et très énergétiques, ils traverseront la chambre sans interagir mais pourront déposer une partie de leur énergie dans le calorimètre. L'absence de trace dans le trajectographe avec dépôt d'énergie dans le calorimètre est caractéristique d'un rayonnement gamma.
β−/β+ : ces particules chargées légères vont laisser une trace très nette dans la chambre et nir leur course dans le calorimètre où elles déposeront leur énergie. Une trace dans le trajectographe associée à un dépôt d'énergie dans le calorimètre est caractéristique d'une émission d'électron ou de positron. Pour être capable de diérencier l'électron du positron, un champ magnétique de 25 Gauss orienté verticalement vers le haut est généré par une bobine en cuivre entourant le détecteur. Le champ magnétique qui aecte la trajectoire des particules selon leur charge électrique permettra de courber la trajectoire des électrons dans le sens opposé de celui des positrons.
La reconstruction des traces présente un autre avantage, celui d'être capable d'identi er l'origine de la ou des particule(s) traversant le détecteur. L'origine physique de la décroissance double bêta étant la désintégration d'un seul noyau, les deux électrons sont émis du même vertex. La possibilité qu'ore le trajectographe de mesurer la provenance d'un évènement s'avère déterminante pour attester de la présence d'un signal ββ et a des conséquences directes sur le bruit de fond de l'expérience, qui se retrouve considérablement réduit.
2.3.4 Performances attendues
Le trajectographe de SuperNEMO a vu ses performances améliorées en comparaison de celles de NEMO3.
La taille des cellules a pu être augmentée de 30 mm à 44 mm a n de réduire le nombre de ls à environ 15000 comparés aux 40000 ls de NEMO3. Cela diminue d'autant le nombre de voies de lecture (et donc le coût) de l'instrument et permet également de diminuer la quantité de matière (et donc les pertes en énergie) dans le trajectographe. Il a été montré que cette diminution du nombre de cellules n'aecte pas signi cativement la résolution spatiale de reconstruction des
CHAPITRE 2. DESCRIPTION DU DÉMONSTRATEUR DE SUPERNEMO traces du trajectographe de SuperNEMO. Les résolutions radiale et verticale des cellules sont respectivement de 0,5 mm et 8 mm pour NEMO3 et 0,7 mm et 10 mm pour SuperNEMO. Comme l'ensemble des composants et matériaux présents dans le démonstrateur, ceux du trajectographe satisfont également les niveaux de radiopureté requis. La présence de radon (gaz radioactif, cf. section 2.6.2) dans la chambre constitue la plus grande source de bruit de fond du trajectographe. Pour l'expérience SuperNEMO, l'activité volumique liée au Radon, qui était de quelques mBq/m3 dans NEMO3, doit être abaissée à 0,15 mBq/m3. Le système de renouvellement du gaz ainsi que d'autres études dédiées notamment à l'émanation du radon permettront de réduire le niveau de bruit de fond jusqu'à la valeur attendue.