CROSS and CUPID-Mo : future strategies and new results in bolometric search for 0νββ
CROSS et CUPID-Mo : stratégies futures et nouveaux résultats dans la quête bolométrique du 0νββ
Résumé
Neutrinoless double-beta decay is a hypothetical rare nuclear transition (T₁/₂>10²⁶ yr). Its observation would provide an important insight about the nature of neutrinos ascertaining that they are Majorana particles and demonstrating that the lepton number is not conserved. This decay can be investigated with bolometers embedding the double beta decay isotope, the possibility to investigate this rare process is strongly influenced by the background level in the region of interest. A new R&D has recently begun within the CROSS project (Cryogenic Rare-event Observatory with Surface Sensitivity) aiming at the development of bolometric detectors, embedding the promising isotopes ¹⁰⁰Mo and ¹³⁰Te, capable of discriminating surface α et β interactions by exploiting the properties of superconducting material (Al film) or normal metal (Pd film) deposited on the crystal faces (Li₂MoO₄ and TeO₂). These films work as pulse-shape modifiers. The results of the tests on prototypes performed at CSNSM (Orsay, France) showed the capability of a few- μm (nm)-thick Al (Pd) film deposited on the crystal surface to discriminate surface from bulk events, with the required rejection level of the surface background. While Al film can only identify surface α particles, with normal-metal films we were able to separate also the β surface component. This is a breakthrough in bolometric technology for double beta decay that could lead to reach a background index in the range 10⁻⁵ counts/(keV kg yr). In addition, the thesis covers the CUPID-Mo experiment, a demonstrator of CUPID, the next-generation ton-scale cryogenic 0νββ experiment. CUPID-Mo employs Li₂MoO₄ scintillating bolometers that allows to discriminate between α and β/γ, thus rejecting the dominant contribution on the background that consists in α particle interactions. The experiment achieved a new limit on the half-life of 0νββ decay in ¹⁰⁰Mo of T₁/₂> 1.5 x 10²⁴ yr at 90% C.I., the best ever obtained worldwide on this isotope.
La désintégration double-beta sans émission de neutrino est une transition nucléaire hypothétique et rare (T₁/₂>10²⁶ ans). Son observation fournirait de précieuses informations sur la nature des neutrinos. En particulier, cela démontrerait que ceux-ci sont des particules de Majorana et qu’il n’y a pas conservation du nombre de lepton. Cette désintégration peut être étudiée avec des bolomètres dont l’absorbeur contient l’isotope susceptible de se désintégrer, mais la possibilité d’analyser ce processus rare dépend crucialement du niveau de bruit de fond dans la région d’intérêt. Une nouvelle R&D a récemment débuté au sein du projet CROSS (Cryogenic Rare-event Observatory with Surface Sensitivity) visant au développement de bolomètres cryogéniques incluant les isotopes prometteurs ¹⁰⁰Mo and ¹³⁰Te. Ces bolomètres sont capables de discriminer les interactions α et β de surface via l’exploitation des propriétés d’un matériau supraconducteur (film d’Al) ou d’un métal normal (film de Pd) déposé sur les faces du cristal (Li₂MoO₄ and TeO₂). Ces films jouent le rôle de modificateurs de forme pour les impulsions. Les résultats des tests sur des prototypes fabriqués et testés au CSNSM (Orsay, France) ont montré la capacité de films d’Al (de Pd) de quelques μm (nm) d’épaisseur déposés à la surface du cristal de discriminer les événements de surface des événements bulk, avec un niveau de réjection compatible avec celui exigé par les expériences finales. Alors que le film d’Al ne peut identifier que les particules α de surface, avec des films métalliques normaux, nous avons été capables de séparer également les composantes β de surface. Ceci constitue une avancée importante dans la technologie bolométrique pour la décroissance double beta qui pourrait atteindre, avec cette technologie, un indice de bruit de fond de l’ordre de 10⁻⁵ événements/(keV kg an). De plus, la présente thèse expose les résultats de l’expérience CUPID-Mo, un démonstrateur de CUPID, une expérience d’une tonne de prochaine génération pour la détection du 0νββ. CUPID-Mo utilise des bolomètres scintillants en Li₂MoO₄ qui discriminent entre les α et les β/γ, permettant ainsi de rejeter la contribution dominante au bruit de fond (particules α). L’expérience a permis d’atteindre une nouvelle limite sur le temps de demi-vie de la désintégration 0νββ dans le ¹⁰⁰Mo : T₁/₂> 1.5 x 10²⁴ ans à 90% C.I..
Origine : Version validée par le jury (STAR)