Measurement of double beta decay of 130Te in the NEMO 3 experiment. RandD of the SuperNEMO project: study of a BiPo detector.
Mesure de processus de double désintégration bêta du 130Te dans l'expérience NEMO 3. RetD du projet SuperNEMO : étude d'un détecteur BiPo.
Résumé
There are 2 parts in this thesis: one analysis of the NEMO3 experiment data associated with a study of a BiPo detector for the SuperNEMO project. NEMO3 is searching for double beta decay process using direct detection of the two emitted electrons by a tracking detector coupled to a calorimeter. I completely studied the backgrounds and therefore gave the most precise measurement of the allowed process with neutrinos emission 2beta2nu for 130Te: T1/2(2nu) = 6.1±1.2(stat)±0.4(syst)x10^20 yr. This result also constraints theoretical calculations for the neutrino effective mass m_betabeta of 130Te: T1/2(0nu) >5.0x10^22 yr et m_betabeta<1.5–5.3 eV. SuperNEMO is a project with 100 kg of betabeta emitters to measure T1/2(0nu) >10^26 yr, using the NEMO3 detection principle but improving efficiency, radiopurity, energy resolution and reducing backgrounds. This background will be then limited by natural radioactive contaminations inside the source foils. Thus the SuperNEMO specifications are very high (A(208Tl)<2 microBq/kg) and not measurable by actual detectors. The collaboration decided to study a BiPo detector to measure 208Tl, using identification of the 212Bi→212Po→208Pb chain. Foil source to measure is put between two scintillator plans allowing energy and time measurements. I studied BiPo1 prototype, showed its technical feasibility, validated the principle and determined the sensitivity of the source measurement compared to backgrounds. Data analysis of BiPo1 showed the possibility to measure 5 microBq/kg of 208Tl with the final BiPo. This result is not so far from SuperNEMO requirements and already shows a gain factor of 4 compared to actual detection possibilities.
Cette thèse comporte une analyse des données de l'expérience NEMO3 et l'étude d'un détecteur BiPo. NEMO3 recherche un signal de double désintégration bêta 2beta0nu par détection directe des 2 électrons émis, avec un trajectographe couplé à un calorimètre. J'ai étudié complètement le bruit de fond, et fourni la mesure la plus précise de la période du processus avec émission de deux électrons et deux neutrinos 2beta2nu du 130Te : T1/2(2nu) = 6,1±1,2(stat)±0,4(syst) 10^20 ans. Ce résultat contraint aussi les calculs théoriques sur la masse effective du neutrino m_betabeta du 130Te : T1/2(0nu) >5,0 10^22 ans et m_betabeta < 1,5–5,3 eV. SuperNEMO est un projet à 100 kg d'émetteurs betabeta, pour mesurer T1/2(0nu) >10^26 ans, et qui reprend le principe de détection de NEMO3 en augmentant l'efficacité et la radiopureté du détecteur, en améliorant la résolution en énergie et en réduisant le bruit de fond. Ce dernier sera finalement dû aux contaminations radioactives naturelles internes aux sources, et les exigences de radiopureté sont élevées (A(208Tl)<2 microBq/kg) et au-dessous des limites de sensibilité actuelles. La collaboration étudie un détecteur BiPo pour la mesure du 208Tl, par identification de la cascade 212Bi→212Po→208Pb. La source à mesurer est déposée entre deux plans de scintillateurs donnant les énergies et les temps. J'ai mené l'étude du prototype BiPo1, démontré la faisabilité technique, validé le principe, et déterminé la sensibilité de mesure de sources par rapport au bruit de fond. L'analyse des données de BiPo1 permet d'envisager la mesure de 5 microBq/kg en 208Tl avec BiPo, ce qui est proche des exigences pour SuperNEMO et représente un gain d'un facteur 4 par rapport aux possibilités actuelles.