Background studies for the CUPID-Mo, CUPID, and CROSS neutrinoless double beta decay experiments

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DOI - Digital Object Identifier

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Jazyk výsledku

francouzština

Název v původním jazyce

Étude du bruit de fond des expériences CUPID-Mo, CUPID, et CROSS de double désintégration bêta sans émission de neutrinos

Popis výsledku v původním jazyce

La double désintégration bêta avec émission de neutrinos (2νββ) est un processus extrêmement rare observé pour quelques isotopes. À l'inverse la double désintégration bêta sans émission de neutrinos (0νββ) n'a jamais été observée et sortirait du cadre du Modèle Standard. Une telle observation impliquerait que le neutrino est une particule de Majorana et violerait la conservation du nombre leptonique. Les bolomètres scintillants sont des calorimètres à basse température qui permettent la recherche de la désintégration 0νββ grâce notamment à une excellente résolution énergétique et une grande efficacité de détection. Ceux-ci convertissent majoritairement l'énergie déposée par les particules en chaleur, qui est elle-même convertie en signal électrique. L'autre fraction de l'énergie est alors émise sous forme de scintillation. Une fois détectée, elle permet la discrimination entre particules β/γ et particules α. L'expérience CUPID-Mo a étudié 20 cristaux scintillants de Li₂MoO₄ pour l'étude de la double désintégration bêta du ¹⁰⁰Mo, et a pu fixer la meilleure limite sur la demi-vie de la 0νββ de ce noyau. Dans cette thèse, nous présentons le modèle de bruit de fond de CUPID-Mo construit à partir de simulations GEANT4. Nous avons alors pu déterminer l'indice de bruit de fond dans la région d'intérêt, B = 3.7 +0.9 -0.8 (stat) +1.5 -0.7 (syst) x 10⁻3 coups/ΔE(FWHM)/mol(iso)/an, qui est le plus bas bruit de fond obtenu pour une expérience bolométrique de 0νββ. Les excellents résultats de CUPID-Mo ont mené au choix de ces cristaux scintillants de Li₂MoO₄ pour la future expérience CUPID. Dans cette thèse, nous présentons également le bruit de fond projeté de CUPID, en partie obtenu à partir du modèle de bruit de fond de CUPID-Mo. Nous présentons également deux études sur les formes spectrales de la désintégration 2νββ du ¹⁰⁰Mo dans CUPID-Mo, et de la désintégration β du ¹¹3Cd dans le cadre du projet CROSS. L'étude de ces désintégrations est notamment nécessaire pour contraindre les modèles théoriques cherchant à décrire la désintégration 0νββ. Les mesures de la demi-vie et de la forme spectrale permettent notamment d'ajuster certains paramètres théoriques, comme la constante de couplage axial-vecteur effective. En ce qui concerne la 2νββ, nous avons pu être sensibles pour la première fois à certains paramètres de forme. Cette étude a été rendue possible grâce au modèle de bruit de fond de CUPID-Mo, nous avons alors pu obtenir la mesure la plus précise de la demi-vie de la désintégration 2νββ du ¹⁰⁰Mo, soit T₁/₂ = (7.07 ± 0.02 (stat.) ±0.11 (syst.) x 10¹⁸ an. Concernant la désintégration β du ¹¹3Cd, nos données sont compatibles avec une petite renormalisation de la constante de couplage axial vecteur dans le cadre des trois modèles nucléaires considérés.

Název v anglickém jazyce

Background studies for the CUPID-Mo, CUPID, and CROSS neutrinoless double beta decay experiments

Popis výsledku anglicky

The two neutrino double beta decay (2νββ) is a standard model process that has been observed for several isotopes. The neutrinoless double beta decay (0νββ) is a hypothetical decay whose observation would open the door to physics beyond standard model. Such observation would indicate that the neutrino is a Majorana particle and that the lepton number conservation is violated. Scintillating bolometers are an excellent technology to search for such a rare decay thanks to their excellent energy resolution and high detection efficiency. The energy released in the bolometer is transferred in heat, which is read out as an electrical signal. Part of the energy is released in scintillation light. The simultaneous detection of heat and light allows the discrimination between β/γ and α particles. The CUPID-Mo experiment studied the 0νββ decay of ¹⁰⁰Mo with 20 Li₂MoO₄ scintillating bolometers and fixed the best limit for the 0νββ half-life for this nucleus. This Ph.D. work presents the background model of CUPID-Mo based on GEANT4 simulations. We obtained a background index of B = 3.7 +0.9 -0.8 (stat) +1.5 -0.7 (syst) x 10⁻3 cts/ΔE(FWHM)/mol(iso)yr, the smallest background index for a 0νββ decay bolometric experiment. The next generation 0νββ bolometric experiment CUPID has chosen the technology of Li₂MoO₄ scintillating bolometers based on the excellent results demonstrated by CUPID-Mo. We present the projected background of CUPID, which is partially obtained from the CUPID-Mo background model. We also present two studies on the spectral shape measurement of the 2νββ decay of the ¹⁰⁰Mo in CUPID-Mo and the spectral shape measurement of the ¹¹3Cd β decay in the framework of the CROSS project. The study of the spectral shapes can further constrain the theoretical nuclear models, whose knowledge is absolutely necessary to interpret the 0νββ decay. These studies can also give inputs for theoretical parameters like the effective weak axial-vector coupling strength. We could obtain the most precise measurement of the ¹⁰⁰Mo half-life of T₁/₂ = (7.07 ± 0.02 (stat.) ± 0.11 (syst.) x 10¹⁸ yr. We could also access for the first time to new parameters describing the theoretical spectral shape. Concerning the study of the ¹¹3Cd β decay, our data is compatible with a mild quenching of the weak axial-vector coupling constant for three nuclear models.

Druh

O - Ostatní výsledky

CEP obor

—

OECD FORD obor

10304 - Nuclear physics

Projekt

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Návaznosti

—

Rok uplatnění

2023

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