Validation du modèle optique

Lors des premiers développements des facteurs de corrections optiques réalisés dans le cadre de la thèse de Arnaud Huber [7], des mesures de spectres de 207Bi ont été réalisées avec un module optique 8" (sur un banc de test dédié au CENBG). Ces mesures ont déjà permis une première validation du modèle optique proposé. Nous avons voulu poursuivre cette validation à partir des données fournies par le démonstrateur en présence de la source de 60Co.

La gure 4.36 montre le spectre en énergie expérimental du 60Co (noir) pour un module optique 8" d'un mur principal situé à proximité directe de la source et corrigé du bruit de fond (vert). Sur cette même gure sont visibles les spectres en énergie simulés du 60Co avec (rouge) et sans (bleu) application des corrections en énergie. Nous remarquons que les données

CHAPITRE 4. ANALYSE DES DONNÉES DE CARACTÉRISATION DU CALORIMÈTRE

Figure 4.36 Comparaison des spectres de60Co expérimentaux (en noir), de bruit de fond (en vert) et simulés avec (en rouge) et sans (en bleu) l'application des corrections optiques pour un module optique 8" d'un mur principal fortement illuminé par la source.

simulées avec application des corrections reproduisent très bien les données expérimentales, ce qui n'est pas le cas des données de simulation sans application des corrections. Cela se voit particulièrement sur la partie à plus haute énergie du spectre, qui se retrouve élargie. Cet élargissement s'explique par l'interaction des photons gamma de la source de 60Co qui peut avoir lieu plus en profondeur dans le scintillateur, correspondant à un facteur de correction géométrique plus grand que 1.

Les données de 60Co prises lors de cette campagne de mesures ne permettent pas de valider le modèle optique pour toutes les géométries de modules optiques. En eet, la statistique était insusante pour les modules 5" des murs principaux et les modules XWall et GVeto étaient encore en cours de caractérisation au moment de la prise de données. De nouvelles données seront enregistrées prochainement pour évaluer l'eet des corrections optiques pour ces modules optiques.

L'ensemble des données de caractérisation du calorimètre a permis de comprendre la réponse de l'instrument à travers de nombreuses études (forme des signaux, études de spectres en amplitude, en charge et en énergie, études de la réponse temporelle, ...). Cette phase de caractérisation est toujours en cours et se poursuit notamment avec :

 la prise de données en présence d'une source d'américium-béryllium émettrice de neutrons pour valider le modèle Monte-Carlo de capture neutronique sur les diérentes parties métalliques du détecteur ;

 la caractérisation du système d'injection de lumière ;

 l'acquisition de données de bruit de fond avec l'ensemble du calorimètre sur une période longue pour un nouvel étalonnage en énergie plus précis après égalisation des gains et une étude du bruit de fond gamma environnant.

Très prochainement, le trajectographe sera également mis en fonctionnement. Cela permettra de prendre des données conjointes avec le calorimètre an de caractériser la réponse complète du détecteur. Ces données permettront de séparer les évènements gamma des évènements

CHAPITRE 4. ANALYSE DES DONNÉES DE CARACTÉRISATION DU CALORIMÈTRE électron dont la trajectoire donnera aussi accès aux points d'interaction sur la face avant des scintillateurs. Ces informations permettront de tester avec beaucoup plus de précisions encore les corrections optiques, diérentes selon le type de particules et leur lieu d'interaction.

Chapitre 5

Études de sensibilité du démonstrateur de

SuperNEMO

Sommaire

5.1 Simulation et analyse de SuperNEMO . . . 126 5.1.1 Simulation des évènements . . . 126 5.1.2 Reconstruction des évènements . . . 127 5.1.3 Module d'étalonnage en énergie du calorimètre . . . 129 5.2 Études de sensibilité du démonstrateur sur la demi-vie de la

décroissance ββ0ν du 82Se, du 96Zr et du 150Nd . . . 129 5.2.1 Sélection des évènements . . . 131 5.2.2 Sélection de la région d'intérêt en énergie . . . 134 5.2.3 Sensibilité du démonstrateur à la décroissance ββ0ν du82Se . . . 134 5.2.4 Sensibilité du démonstrateur à la décroissance ββ0ν du96Zr . . . 137 5.2.5 Sensibilité du démonstrateur à la décroissance ββ0ν du150Nd . . . 139 5.2.6 Comparaison des sensibilités sur la décroissance ββ0ν du82Se,96Zr et

150Nd . . . 141 5.3 Étude de la sensibilité du démonstrateur à la demi-vie de la

décroissance ββ2ν du 82Se vers l'état excité 2+

2 du 82Kr . . . 142 5.3.1 Sélections préliminaires . . . 143 5.3.2 Optimisation des sélections . . . 147

La collaboration SuperNEMO a développé son propre outil de simulation nommé Falaise. Ce chapitre débutera avec une présentation de l'environnement logiciel de la simulation de SuperNEMO. Une seconde partie sera ensuite consacrée aux études de sensibilité du démonstrateur en fonction de l'isotope émetteur ββ. Enn, l'impact des corrections optiques développées dans le chapitre 3 sur la sensibilité du démonstrateur à la décroissance double bêta avec émission de neutrinos du 82Se vers l'état excité 22

+ de son noyau ls clôturera ce chapitre. Aucune évaluation de l'impact des corrections en énergie n'a a ce jour été réalisée sur la sensibilité du démonstrateur à un signal comportant à la fois des électrons et des photons gamma, or il a été montré (chapitre 3.3) que ces corrections impactaient particulièrement les dépôts d'énergie des rayonnements gamma qui créent des électrons Compton de basse énergie (sensibles à l'eet Birks) et interagissent dans tout le volume des scintillateurs (corrections géométriques importantes).

CHAPITRE 5. ÉTUDES DE SENSIBILITÉ DU DÉMONSTRATEUR DE SUPERNEMO

5.1 Simulation et analyse de SuperNEMO

La simulation de SuperNEMO repose sur trois niveaux pour gérer au mieux les diérents logiciels, bibliothèques, classes et méthodes utilisés. Les deux premiers niveaux qui portent les noms de Brew (anciennement Cadfael) et Bayeux, bien que développés pour SuperNEMO, protent aussi à d'autres expériences. Le dernier niveau nommé Falaise est un outil propre à la collaboration puisqu'il permet de modéliser le démonstrateur de SuperNEMO.

Brew1, est un agrégateur de logiciels qui compile divers outils de simulation et d'analyse (tels que GEANT4, ROOT et Xerses-C++) qui servent de base à l'installation des niveaux suivants. Brew permet donc de s'aranchir de problèmes de version que pourraient rencontrer les utilisateurs.

Bayeux2 s'appuie sur les logiciels fournis par Brew pour proposer de nombreuses bibliothèques dédiées à la physique des particules. Elles proposent notamment des outils génériques de modélisation de géométrie, de dénition de matériaux, de génération de décroissances radioactives, d'analyse de données, etc.

Falaise3 constitue le dernier niveau qui est propre à la collaboration SuperNEMO et regroupe les dénitions de la géométrie, la physique, les formats de données, ainsi que les chaînes de traitement des données (étalonnage, reconstruction et analyse) du démonstrateur.

Le tableau 5.1 récapitule les diérentes fonctionnalités de ces trois outils (Brew, Bayeux et Falaise).

Brew Agrégateur de lociciels génériques :

GEANT4, ROOT, CLHEP, Boost, Xerxes-C++, Gnuplot. Bayeux Compilateur de bibliothèques et classes C++ :

- geomtools : outil générique de dénition de géométrie ;

- mctools : utilitaire basé sur GEANT4 pour la simulation d'évènements ; - datatools : utilitaire de sauvegarde de structures de données ;

- materials : dénitions des isotopes, éléments et matériaux ; - genvtx : générateur de vertex primaires pour les simulations ; - genbb : générateur d'évènements (dont décroissances double bêta). Falaise Logiciel de simulation de l'expérience SuperNEMO

- dénition de la simulation (géométrie, particules, interactions, etc.) ; - visualisation d'évènements ;

- format des données ;

- chaîne de modules d'analyses génériques ;

- reconstructions spéciques d'évènements (traces, détection).

Table 5.1  Environnement logiciel de simulation de SuperNEMO : Brew, Bayeux et Falaise.