Développement d'un détecteur planaire, nommé BiPo, dédié à la mesure d'ultra basses radiopuretés en 208Tl et 214Bi de grandes surfaces fines de matériaux pour les futures expérienc – Proto BiPo

La découverte de la double désintégration bêta sans émission de neurtino, processus au delà du Modèle Standard, représenterait une avancée majeur en physique des particules parce qu'elle prouverait que le neutrino est une particule dites de Majorana (neutrino et antineutrino sont une même et unique particule) et que le nombre leptonique n'est pas conservé. Les expériences actuelles de recherche de double désintégration bêta (DBD) mesurent environ 10 kg d'isotopes DBD. La principales difficulté dans la recherche de DBD est une possible contamination en 208Tl et 214Bi provenant de la chaîne de radioactivité naturelle respectivement en 232Th et 238U. Toutes les futures expérience de recherche de double désintégration bêta sans émission de neutrino rencontrent un même problème expérimental : les très grandes masses d'isotopes double bêta nécessitent un tel niveau de radiopureté en 208Tl et 214Bi que les détecteur HPGe (spectroscopie gamma) n'ont pas la sensibilité suffisante pour qualifier la radiopureté des sources ou autres matériaux critiques. Par exemple le projet SuperNEMO propose de mesurer un très grande surface (~200m2) de feuilles très fines (~40 mg/cm2) d'isotopes enrichis émetteurs double bêta. La radiopureté de ces feuilles doit être : 208Tl < 2 mBq/kg et 214Bi < 10 mBq/kg ce qui est un ordre de grandeur plus contraignant que la meilleur sensibilité obtenue en radioscopie gamma HPGe qui est d'environ 20 mBq/kg en 208Tl. De plus les détecteurs HPGe ne peuvent pas mesurer de très grandes surfaces de feuilles. L'objectif de ce projet est de développer un détecteur générique, planaire, d'ultra haute sensibilité, nommé détecteur BiPo pour la mesure d'ultra haute radiopureté de matériaux très fins pour les futures expériences double bêta. Le détecteur doit pouvoir mesurer environ 10m2 de feuilles source double bêta (ou autres matériaux) avec une sensibilité de quelques mBq/kg en un temps d'observation relativement court (environ 1 mois). Le principe de mesure de contamination en 208T est la double détection d'un électron émis par la désintégration bêta du 212Bi (noyau parent du 208Tl) suivi de l'émission d'un alpha retardé de la désintégration du 212Po avec une demi-vie de 300 ns. La feuille à mesurer est déposé directement sur un plan de blocs fin de scintillateurs (« scintillateurs alpha ») couplés à des PMTs basse radioactivité. Une chambre à fils est disposé au dessus de la feuille pour reconstruire la trace des électrons. Un second plan de barres de scintillateurs est installé au dessus de la chambre à fils. La signature topologique électron/alpha retardé de la désintégration du 212Bi correspond à une trace dans la chambre à fils due à l'électron traversant, associée à une barre de scintillateur touchée et en temps puis un second scintillateur alpha retardé dans le plan inférieur au voisinage du vertex. L'enjeux expérimental de ce détecteur est d'obtenir un niveau de bruit de fond quasi nul. Or le bruit de fond dominant est une possible contamination en 208Tl dans la surface d'entrée des scintillateurs alpha. Nous demandons ici à l'ANR le financement de la construction et du fonctionnement d'un prototype du détecteur BiPo. Le principal objectif de ce prototype (démonstrateur) est de mesurer le niveau de bruit de fond dû à une possible contamination en 208Tl dans la surface d'entrée des scintillateurs alpha. La dimension du prototype (environ 4 m2 en comprenant le blindage) est definie de telle sorte qu'on puisse atteindre la sensibilité en bruit de fond requise pour le futur détecteur BiPo. Ce prototype comprend 25 cellules de scintillateurs indépendantes à l'intérieur d'un blindage gamma et neutron et d'une enveloppe mécanique étanche contre le radon. Une « cellule de scintillateurs » est une capsule étanche plastique PMMA basse radioactivité contenant deux scintillateurs en face-à-face couplés chacun à un PMT 5 basse radioactivité. La dimension des blocs de scintillateurs sont de 20 x 20 cm2 et 1 cm d'épai...