Les oscillations de neutrinos ont confirmé que ces particules mystérieuses ont une masse, contredisant les prédictions du modèle standard. Le groupe DPhP du CEA Irfu cherche à résoudre ce mystère en observant la très rare désintégration double bêta sans émission de neutrino du noyau de Mo-100 grâce à des bolomètres scintillants. Suite à l'expérience de démonstration CUPID-Mo au laboratoire souterrain de Modane, le groupe a finalisé un modèle de bruit de fond détaillé qui offre une grande précision pour l'étude de la désintégration 2v2β. Le modèle permet ainsi d’obtenir l’indice de bruit de fond le plus bas jamais obtenu par la communauté scientifique pour une expérience bolométrique 0ν2β.
Pour atteindre l’objectif de 10-4 coups/keV/kg/an nécessaire à la détection de cette désintégration extrêmement rare, l'expérience CUPID a, en complément, adopté une nouvelle technologie de détecteur : les détecteurs de lumière Nefanov-Trofimov-Luke (NTL) afin d'améliorer la réjection du bruit de fond. Une mesure, avec 10 détecteurs de lumière identiques couplés à des cristaux de Li2MoO4 et de TeO2, a été réalisée au laboratoire souterrain de Canfranc et a démontré l'applicabilité de cette technologie aux détecteurs de CUPID. Compte tenu de la combinaison du faible bruit de fond, de la capacité de discrimination des particules, de l’efficacité élevée et de la haute résolution en énergie, CUPID est reconnue comme l'une des expériences de recherche de 0ν2β les plus prometteuses de la prochaine génération. Après une revue de validation, l'expérience commencera sa phase de production et de construction pour obtenir un détecteur complet à partir de 2029.
Introduction
En physique des particules, les neutrinos conservent le titre de particules de matière les plus mystérieuses. Les oscillations des neutrinos, un phénomène imprévu, ont confirmé que les neutrinos ont une masse, ce qui contredit les prédictions du modèle standard. La question de la définition de la masse et de la nature des neutrinos est aujourd'hui cruciale pour la compréhension de la physique des particules. Une désintégration extrêmement rare, la désintégration double bêta sans émission de neutrino, permettra, en cas d’observation, de fixer l'échelle de masse des neutrinos et d’établir leur nature de particule de Majorana (identique à son antiparticule).
Le groupe du DPhP au CEA travaille sur l'une des techniques de pointe dans ce domaine, en utilisant des bolomètres à scintillation pour rechercher la double désintégration bêta du Mo-100. Grâce à la double lecture des signaux provenant des canaux de chaleur et de lumière, nous sommes en mesure de distinguer complètement le bruit de fond alpha de la région d'intérêt.
Figure 1. Représentation schématique des deux modes de désintégration double bêta : avec émission de deux neutrinos (en haut) et sans émission de neutrino (en bas).
Figure 2 : Comparaison entre les données d'étalonnage du 56Co et les simulations Monte Carlo à proximité de l'énergie de transition du 100Mo (Q??=3034 keV).
Modèle de bruit de fond pour le démonstrateur CUPID-Mo
L'expérience de démonstration CUPID-Mo, qui était installée au laboratoire souterrain de Modane, est terminée. Les résultats précédents sur la recherche de la double désintégration bêta sans neutrino sont présentés ici.
Le groupe a récemment finalisé le modèle de bruit de fond détaillé, décrivant précisément toutes les caractéristiques des données expérimentales et offrant une grande précision pour l'étude de la désintégration 2ν2β et d'autres processus. Grâce à la double lecture des détecteurs CUPID-Mo (signaux de chaleur et de lumière), cet outil puissant est utilisé pour rejeter complètement la contamination due aux désintégrations alpha de la région d'intérêt. La sélection des événements utilise aussi d’autres paramètres comme la multiplicité, la coïncidence retardée et les signaux dans le veto muon. Grâce à ces caractéristiques, l'indice de bruit de fond (BI), obtenu par CUPID-Mo dans la région concernée, est la plus faible pour une expérience bolométrique 0ν2β dans le monde entier :
BI=2,7+0.7 (stat)+1.1-0.6 (syst)× 10−3-0.5 coups/keV/kg/an.
Le modèle, incluant les bruits de fond gamma et bêta, a été construit dans le cadre bayésien avec une approche MCMC (Monte-Carlo par chaînes de Markov). Pour tester la précision du modèle de bruit de fond, une mesure a été effectuée avec une source de Co-56. La simulation montre un très bon accord avec les données et confirme que la simulation du dispositif expérimental est précise. L'ajustement du modèle est construit avec un total de 67 sources, y compris les événements dans le volume, de surface et d’empilement, c'est-à-dire des coïncidences entre deux événements indépendants, qui se produisent de manière aléatoire.
Ces résultats confirment une fois de plus les perspectives de recherche bolométrique de la double désintégration bêta sans émission de neutrino en vue d'expériences de nouvelle génération à l'échelle de la tonne. Grâce à ces excellents résultats, la technologie CUPID-Mo a été choisie comme référence pour CUPID, une expérience qui comprendra ~1500 bolomètres scintillants à double lecture Li100MoO4 et 240 kg de 100Mo, actuellement en cours de développement.
Figure 3 : Sources de bruit de fond constituant le spectre expérimental. En bleu, 2?2? est la contribution dominante dans la gamme [350-3000] keV. La contribution la plus importante venant des matériaux, en dessous de 3 MeV, est celle du cryostat et des boucliers, représentés en magenta.
Détecteurs de lumière améliorés pour une meilleure discrimination du bruit de fond
Grâce à la contribution importante de la partie française de la collaboration, l'expérience CUPID (CUORE Upgrade with Particle IDentification) a récemment adopté une nouvelle technologie pour les détecteurs. Les détecteurs de lumière Nefanov-Trofimov-Luke (NTL) permettront d'améliorer le signal de sortie. Cette augmentation améliorera considérablement la réjection du bruit de fond d'empilement, ce qui nous permettra d'atteindre l'objectif de 10-4 coups/keV/kg/an pour l'expérience. Chaque composante du bruit de fond total de CUPID a été soigneusement évaluée, et l'une des plus importantes est la contribution des coïncidences aléatoires d'événements 2ν2β. Ce bruit de fond doit donc être réduit autant que possible, et la solution proposée avec des détecteurs de lumière améliorés permet d'atteindre l'objectif annoncé, en réduisant la contribution de l'empilement à 0,5x10-4 coups/keV/kg/an.
Ces détecteurs de lumière fonctionnent comme des transducteurs charge-chaleur : le signal de chaleur augmente linéairement en modifiant simplement une tension appliquée à des électrodes métalliques spéciales, fabriquées sur l'absorbeur au germanium, et lues par un capteur thermique.
Récemment, une mesure avec 10 détecteurs de lumière identiques, couplés à des cristaux de Li2MoO4 et de TeO2, a été réalisée au laboratoire souterrain de Canfranc. L'étude des performances et du rejet des événements empilés a démontré l'applicabilité de cette technologie aux détecteurs de CUPID. Les résultats, présentés lors de la réunion de collaboration, ont été approuvés et il a été décidé de sélectionner les détecteurs de lumière Nefanov-Trofimov-Luke comme nouvelle référence pour la conception de l'expérience CUPID.
Figure 4. À gauche : deux détecteurs de lumière Neganov-Trofimov-Luke sur des cristaux de Li2MoO4. Les cercles gris représentent les électrodes pour l'application de la tension de polarisation.
À droite : distribution des paramètres des détecteurs de lumière, à savoir le rapport signal/bruit et le temps de montée, en fonction de l'indice de bruit de fond provenant des événements empilés (ML LSD)
Crédit : collaboration Cupid
La collaboration CUPID prépare activement le rapport d'étude conceptuelle (CDR), en y incluant cette récente mise à jour de la technologie des détecteurs de lumière. Après l'examen et la validation du CDR, l'expérience commencera sa phase de production et de construction avec un réseau de ~1 500 cristaux de Li2100MoO4 et ~2 000 détecteurs de lumière NTL, avec l'objectif de commencer les mesures avec le détecteur complet en 2029. Compte tenu de la combinaison du faible bruit de fond, de la capacité de discrimination des particules, de l’efficacité élevée et de la haute résolution en énergie, CUPID est reconnue comme l'une des expériences de recherche de 0ν2β les plus prometteuses de la prochaine génération.
Contact : Anastasiia Zolotarova, Claudia Nones
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