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Sujets de thèse
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DRF : Sujet de thèse SL-DRF-18-0328

DOMAINE DE RECHERCHE
Astroparticules / Physique corpusculaire et cosmos
INTITULÉ DU SUJET Français English

Recherche de la double désintégration beta sans émission de neutrinos avec des bolomètres scintillants

RÉSUMÉ DU SUJET

Pourquoi les neutrinos sont-ils si légers ? Quelle est la valeur absolue des leurs masses ? Le neutrino est-il égal à son antiparticule, comme un photon ou un pion neutre, ou en diffère-t-il comme un neutron ? Malgré les progrès impressionnants que nous avons faits récemment sur la connaissance de cette particule, la liste des questions ouvertes est encore très longue. Et les réponses sont d'une importance capitale pour comprendre les interactions fondamentales des particules et l'évolution de l'Univers. La double désintégration bêta sans émission de neutrinos (0n2B) est une transition nucléaire hypothétique et rarissime qui peut clarifier la plupart de ces problèmes intrigantes. Si elle est découverte, elle peut fixer l'échelle de masse des neutrinos, aider à déterminer l'ordre de ses trois masses et démontrer que le neutrino est effectivement égal à son antiparticule, comme Majorana l'avait envisagé il y a plus de quatre-vingts ans. En plus, la 0n2B permets de tester avec une sensibilité sans égal la conservation du nombre leptonique.

Une approche très prometteuse à l’étude de la 0n2B est poursuivie dans l’expérience bolométrique CUPID, qui vise à exploiter l'infrastructure existante de l’expérience CUORE (actuellement en opération dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso en Italie, CUORE est l'une des expériences 0n2B les plus sensibles au niveau international). CUPID est censé sonder l'hypothèse de la hiérarchie inversée des masses du neutrino grâce à une réduction spectaculaire du fond radioactif par rapport à CUORE. Cette amélioration sera obtenue par l'utilisation de bolomètres luminescents, qui permettent de rejeter le fond dû à l’émission de particules alpha en surface, facteur qui limite actuellement la sensibilité de CUORE.

Le présent projet de thèse vise à explorer et développer une technologie qui puisse être appliquée en perspective à CUPID, en recherchant la 0n2B des isotopes prometteurs Mo-100 et Cd-116. Les dispositifs proposés pour étudier ce processus rare sont des bolomètres contenant du Mo-100 et du Cd-116, agissant en même temps comme source et détecteur du phénomène. Comme dans tout macro-bolomètre classique, chaque dispositif sera constitué d'un monocristal diélectrique de haute pureté refroidi au-dessous de 20 mK et couplé thermiquement à un capteur de température (constitué d'une thermistance de Ge) qui fournira un signal de chaleur pour chaque événement. Dans ce type de dispositifs, la détection est médiée par la production de phonons (chaleur) due aux dépôts d'énergie par des événements nucléaires. Les événements 0n2B du Mo-100 et du Cd-116 produiront des signaux de chaleur avec une amplitude bien définie. En ce qui concerne le matériau du détecteur, les composés Li2MoO4 et CdWO4 sont parmi les plus prometteurs en termes de résolution énergétique, de radiopureté intrinsèque et de facilité de croissance des cristaux. Le signal 0n2B, dans les deux cas, est une raie située bien au-dessus de la radioactivité naturelle gamma (qui s'arrête à 2615 keV), mais le bruit de fond dans cette région sera dominé par des contaminations alpha de surface, qui produisent un spectre d’énergie presque plat. La contribution au fond des alphas de surface peut être éliminée en couplant le détecteur 0n2B avec un détecteur de lumière (qui sera également un bolomètre) capable de mesurer la lumière de scintillation générée par des événements nucléaires dans le Li2MoO4 et le CdWO4. Le rendement lumineux des particules alpha correspond de 15% à 20% de celui des particules bêtas à la même énergie thermique. Par conséquent, la mesure simultanée de la chaleur et de la lumière de scintillation permettra de rejeter la composante de fond alpha, simplement à cause de la faible intensité de la lumière qu'elles émettent.

Le projet de thèse impliquera l'analyse de données d'une expérience en cours (CUPID-Mo), basée sur le Mo-100 et très compétitive au niveau international, et le développement ex novo d'une expérience pilote pour le Cd-116.

INFORMATIONS PRATIQUES
Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'univers
Service de Physique des Particules
Groupe Edelweiss
Centre : Saclay
Date souhaitée pour le début de la thèse : 01/10/2018
PERSONNE À CONTACTER PAR LE CANDIDAT

Claudia Nones  

CEA
DRF/IRFU/SPP/Edelweiss
Bat.141 - Pce 41A

Téléphone : +33 1 69 08 35 20

UNIVERSITÉ / ÉCOLE DOCTORALE
Paris-Saclay
PHENIICS
DIRECTEUR DE THÈSE

Claudia Nones

CEA
DRF/IRFU/SPP/Edelweiss
Bat.141 - Pce 41A