Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Les désintégrations double beta sans émission de neutrino (0νββ) sont des transitions nucléaires hypothétiques, dont l’existence donnerait des indications essentielles sur les propriétés des neutrinos comme la hiérarchie et l’échelle absolue de leurs masses. L’observation de ce processus prouverait que la conservation du nombre leptonique peut être violée et qu’il est necessaire d’étendre le modèle standard. L’expérience LUMINEU (Luminescent Underground Molybdenum Investigation for NEUtrino mass and nature – projet ANR français) se concentre sur l’étude de l’isotope ¹⁰⁰Mo du molybdène, qui est un excellent candidat pour les expériences de recherche de double désintégration beta sans neutrino (Q0νββ = 3034 keV, avec une teneur isotopique naturelle raisonnablement haute - 9,7 % et une technologie d’enrichissement viable). Le point clé du projet LUMINEU est l’utilisation d’une technologie de détection innovante, basée sur des bolomètres scintillants cryogéniques. Un bolomètre scintillant se compose d’un absorbeur d’énergie (qui incorpore l’isotope ββ) équipé d’un capteur de température et couplé à un détecteur de lumière. Le signal, collecté à très basse température (typiquement < 20 mK pour les grands bolomètres), est l’impulsion thermique qui suit un dépôt d’énergie dans le cristal. Si l’absorbeur est également un scintillateur, il est possible de collecter en coïncidence les signaux de lumière, utiles pour séparer les signaux α et les signaux ϒ/β qui provoquent des émissions de lumière différentes lorsqu’une particule est absorbée.  La technique bolométrique est ici utilisée dans ce qu’on appelle une approche « source = détecteur », qui combine haute résolution et grande efficacité.

LUMINEU est une activité de R&D qui promeut avec succès l’utilisation de bolomètres scintillants avec des cristaux de ZnMoO₄ et de Li₂MoO₄ pour l’étude de la désintégration 0νββ du ¹⁰⁰Mo. Dans le cadre de cette expérience, plusieurs détecteurs ont été testés sous terre au LSM (Laboratoire Souterrain de Modane) et au LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso). En particulier nous avons été en mesure de produire différents cristaux scintillants enrichis de Li₂¹⁰⁰MoO₄ (enrichis à 99,9 % en ¹⁰⁰Mo produits au NIIC (Novosibirsk, Russie)).

LUMINEU a ouvert la voie à la prochaine étape de l’expérience, appelée CUPID-Mo, une matrice de 20 cristaux de Li₂¹⁰⁰MoO₄ (~ 3 kg de ¹⁰⁰Mo) équipés de thermistances NTD au germanium (capteurs de température particuliers) et couplés à des détecteurs de lumière au germanium. L’objectif principal de CUPID-Mo est de prouver la possibilité d’atteindre un taux de bruit de fond inférieur à 10^-3 coups x kg x an. Ce démonstrateur fait partie du projet CUPID, une expérience bolométrique à l’échelle de la tonne proposée comme suite à l’expérience CUORE.

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Claudia Nones