Blanc SIMI 5 - Blanc - SIMI 5 - Physique subatomique et théories associées, astrophysique, astronomie et planétologie

Expérience souterraine avec détecteurs luminescents de molybdate de zinc pour l’étude de la masse et la nature des neutrinos – LUMINEU

LUMINEU: une expérience pilote pour la recherche d'événements rares

Le but de LUMINEU est de préparer une expérience de prochaine génération pour la recherche de la Double Décroissance Bêta (DDB) sans émission de neutrinos, capable d'explorer la région de la hiérarchie inversée de la masse des neutrinos. Cet objectif sera atteint grâce à des détecteurs cryogéniques sophistiqués, utiles aussi bien à la détection de la matière noire. LUMINEU vise à commencer une expérience pilote basée sur des bolomètres scintillants de ZnMoO4 pour l’étude de l’isotope Mo-100.

Le rôle de LUMINEU dans la recherche de la Double Décroissance Bêta sans émission de neutrinos

Dans une liste de questions fondamentales en physique des astroparticules, les neutrinos jouent un rôle particulier. Quelles sont les propriétés fondamentales de ces particules? Comment affectent-elles l'évolution cosmique? La DDB est un processus essentiel pour aborder ces questions. Cette transition nucléaire rare viole la conservation du nombre leptonique et n'est pas autorisée dans le modèle standard. Un signal clair de DDB établirait que les neutrinos sont les seuls fermions qui coïncident avec leurs antiparticules (particules de Majorana): un nouveau type de matière. En outre, la DDB peut déterminer la masse efficace du neutrino, un paramètre qui est directement lié à l'échelle de la masse absolue, actuellement inconnue. LUMINEU a l'ambition de révolutionner la stratégie de la recherche de la DDB. Les limites actuelles sur la masse efficace sont autour de 0,2 eV (expériences EXO-200, KamLAND-Zen, GERDA-1, CUORE-0), en forte tension avec la valeur déclarée dans une revendication controversée d’une partie de la collaboration Heidelberg-Moscou. Il existe trois créneaux possibles pour ce paramètre. Deux d'entre eux (masses dégénérées et hiérarchie inversée) sont accessibles, en principe, avec les méthodes actuelles. Les expériences européennes CUORE, Gerda et Super-NEMO, le canadien SNO+ et les susnommés EXO-200 (américain) et KamLAND-ZEN (japonais) valideront ou rejetteront le scénario dégénéré avec des sensibilités autour de 50-100 meV. Afin de couvrir la région de la hiérarchie inversée, il faut descendre à 20 meV. Cela nécessite de nouveaux détecteurs et des progrès essentiels dans le contrôle du fond radioactif. LUMINEU vise à développer une technologie capable d'effectuer cette étape supplémentaire, en résolvant toutes les questions techniques liées à une recherche à grande échelle ayant cet objectif.

Les bolomètres sont parmi les détecteurs nucléaires les plus intéressants pour une recherche de prochaine génération de la DDB. Un bolomètre est constitué d'un absorbeur d'énergie couplé à un capteur de température. Le signal, recueilli à très basse température (typiquement <20 mK pour de bolomètres massifs), consiste dans une impulsion thermique enregistrée par le capteur, qui peut être soit un petit cristal semi-conducteur, soit un film mince supraconducteur, soit un thermomètre métallique magnétique (MMC). La majorité des candidats les plus prometteurs, à Q-valeur élevée, peut être étudiée par la technique bolométrique dans l’approche «source = détecteur«, qui joint une haute résolution énergétique à une grande efficacité. Des Q-valeurs élevées sont préférables, car elles conduisent à un espace de phase plus grand et à un fond inférieur. La raie gamma la plus élevée de la radioactivité naturelle se situe à 2615 keV (émise par le noyau Tl-208 dans la chaîne de désintégration du Th-232). Par conséquent, un détecteur basé sur un émetteur double bêta avec une Q-valeur supérieure à 2615 keV représente un point de départ optimal pour une expérience sensible. Cependant, la région de l'énergie au-dessus de 2615 keV est dominée par des particules alphas. Ici entre en jeu le potentiel des bolomètres scintillants, la technologie proposée pour LUMINEU. Etant donné que le rendement lumineux des alphas est généralement sensiblement différent de celui-ci des bêta / gamma à égale énergie déposée, tandis que la réponse thermique est équivalente, la détection simultanée de la scintillation (voie lumière) et du signal thermique (voie chaleur) peut rejeter complètement le fond alpha. L'isotope proposé pour LUMINEU est le Mo-100, avec une Q-valeur de 3034 keV. Les cristaux scintillants qui vont être exploités comme bolomètres sont basés sur le composé ZnMoO4.

Lors de la rédaction de ce rapport (Mai 2015), nous avons achevé plusieurs résultats qui montrent définitivement que la technologie de LUMINEU est appropriée pour une expérience DBD à grande échelle.
Cristaux. La procédure de cristallisation a été optimisée (par exemple, on a compris que un dopage en W au niveau de 0,5% rend la cristallisation plus facile). En outre, un R&D a été effectuée à NIIC pour réduire les pertes irrécouvrables. Une grande boule enrichi (1,4 kg) a été synthétisée (Avril 2015) et sera coupé pour obtenir les éléments destinés aux modules individuels finaux de LUMINEU.
Capteurs. Dix wafers de Ge ont été irradiés au réacteur Orphée pour la production de capteurs NTD. Des tests préliminaires ont été effectués. À cause de la haute résistivité des NTD, une irradiation de réglage fin supplémentaire sera nécessaire. Plusieurs thermistances sous forme de films de NbSi supraconducteurs ont été préparées et caractérisées, mais nous ne sont pas réussi encore à les intégrer dans un détecteur de lumière fonctionnant.
Détecteurs de lumière. Nous avons fait des études systématiques au CSNSM sur les différentes méthodes pour fixer les wafers. Nous avons analysé également l'effet de la taille de la thermistance. Cette activité nous a permis de produire au moins 10 détecteurs équipés par des NTD adéquates pour le module individuel final de LUMINEU. Un détecteur de lumière à base de MMC pleinement intégré a été délivré par KIP Heidelberg et a été testé avec une irradiation directe de rayons X et de lumière de scintillation produite par un petit cristal de ZnMoO4, confirmant un temps de montée des signaux très rapide (20 micros).
Prototypes. Deux grands cristaux naturels (340 g) mesurés comme bolomètres scintillants au LSM ont atteint la performance demandée par une expérience de prochaine génération : résolution d'énergie mieux que 7 keV FWHM; facteur de rejet alpha mieux que 99,9%; radiopureté interne mieux que 4 microBq / kg pour les chaînes de Th et U.

Les perspectives actuelles du programme de LUMINEU sont les suivantes:
- La grand boule cristalline enrichie sera coupée pour produire au moins 2 éléments avec m ~ 400 g à tester en souterrain au Gran Sasso (ou Modane) pour une longue manip de fond. Cette expérience est prévue avant l'été et fournira le module individuel final prévu dans le programme de LUMINEU.
- Un protocole d'accord avec la collaboration EDELWEISS est en vigueur (Mars 2015), en vue de réglementer l'installation et le fonctionnement des détecteurs de LUMINEU dans le cryostat d’EDELWEISS et de fixer les caractéristiques de l'expérience pilote au ZnMoO4 qu’y sera effectuée.
- Une simulation Monte Carlo du fond radioactif prévu pour les détecteurs de ZnMoO4 dans le cryostat d’EDELWEISS a été complétée. Un modèle du fond est en cours de développement sur la base de cet outil.
- La production de capteurs de température pour LUMINEU se poursuivra dans les prochains mois. Les premières NTD utilisables seront prêts avant l'été, mais ils seront probablement trop résistifs pour être utilisé dans LUMINEU. Une autre irradiation pour diminuer la résistivité sera prise en compte. En ce qui concerne les détecteurs de lumière à base de films de NbSi, les premiers prototypes opérationnels sont attendus dans quelques mois.
- Pour les capteurs de MMC, les tests sur des prototypes entièrement intégrés continueront.
- Une expansion de LUMINEU avec une collaboration élargie (ITEP - Moscou et INFN –Rome Gran Sasso) est à l'étude. Elle sera basée sur un protocole d'accord, déjà signé, impliquant ITEP, IN2P3 et l'INFN, qui prévoit la mise à disposition de LUMINEU de 10 kg de matériau enrichi.

1. M. Mancuso et al., An Aboveground Pulse-Tube-Based Bolometric Test Facility for the Validation of the LUMINEU ZnMoO4 Crystals – J. Low Temp. Phys. 176(2014)571-577.
2. M. Loidl et al., Concept of Metallic Magnetic Calorimeters for Rare Event Search in the LUMINEU Project – J. Low Temp. Phys. 176(2014)624-630.
3. L. Bergé et al., Purification of molybdenum, growth and characterization of medium volume ZnMoO4 crystals for the LUMINEU program – JINST 09 (2014) P06004
4. A.S.Barabash et al.,Enriched Zn100MoO4 scintillating bolometers to search for 0?2ß decay of 100Mo with the LUMINEU experiment - Eur. Phys. J. C 74(2014)3133
arXiv:1405.6937 [physics.ins-det]
5. E. Armengaud et al., Development and underground test of radiopure ZnMoO4 scintillating bolometers for the LUMINEU 0?2ß project - JINST 10 (2015) P05007
6. M.Tenconi (for the LUMINEU collaboration), LUMINEU: a pilot scintillating bolometer experiment for neutrinoless double beta decay search - Physics Procedia 61(2015)782-786.
7. V.Ya.Degoda et al., X-ray luminescence of ZnMoO4 crystals developed in the framework of the LUMINEU program - Proc. Int. Conf. on Oxide Materials for Electronic Engineering OMEE’2014, 26-30.05.2014, Lviv, Ukraine, p. 265-266.
8. V.Ya.Degoda et al., Luminescence of ZnMoO4 crystals developed for the LUMINEU double beta decay experiment - Solid State Phenomena 230(2015)184-192.

La Désintégration Double Beta sans émission de neutrino (0v-DBD) est un thème central pour l’étude des particules élémentaires et des interactions fondamentales. Sa mise en évidence aurait un impact fort sur les modèles cosmologiques. Suite à la découverte de l’oscillation des neutrinos, des questions comme l’échelle absolue et la hiérarchie des masses des neutrinos restent de premier ordre ; c’est également le cas de la détermination de leur nature : fermions de Dirac ou de Majorana ?
Le but du projet LUMINEU est d’être en mesure de définir un détecteur optimum pour une expérience 0v-DBD de nouvelle génération, capable d’atteindre des sensibilités jamais envisagées. Pour l’atteindre, LUMINEU propose de réduire le fond résiduel dû à l’interaction des particules alphas grâce au développement de bolomètres à mesure simultanée de la lumière et de la chaleur générées par un événement nucléaire. Si les bolomètres scintillants contiennent un candidat de 0v-DBD (détecteur = source) dont la transition est supérieure à l’énergie maximale des gammas émis naturellement (2,6MeV) et l’efficacité de rejet des particules alphas est proche de 100%, cela permettrait d’obtenir une expérience potentiellement sans fond pour une durée d’exposition nécessaire pour scruter la région de hiérarchie inverse des masses des neutrinos.
LUMINEU mettra donc en œuvre des cristaux scintillants de la plus grande dimension possible de ZnMoO4, enrichis en 100Mo. Cet isotope est un excellent candidat du fait de son Q-value autour de 3 MeV. Les cristaux seront tirés selon une technique avancée garantissant des qualités excellentes, une pureté extrême et une perte négligeable de matière première. Des masses de cristaux de 400g sont envisagées pour la brique élémentaire.
Le pouvoir de rejet des particules alphas est fortement corrélé à la qualité de la mesure de la lumière. Un effort particulier sera porté sur l’optimisation de cette dernière en termes d’efficacité de collection, de seuil en énergie, de taille de détecteur, de reproductibilité et de temps de réponse. La réduction de ce temps permettra de rejeter le fond ultime que pourrait constituer l’empilement d’événements de Désintégration Double Beta avec émission de deux neutrinos, qui est particulièrement gênant dans le cas du 100Mo. C’est pourquoi, en plus des senseurs thermiques semi-conducteurs classiques (NTD) produits par transmutation, de nouveaux senseurs seront étudiés : films supraconducteurs de haute impédance et thermomètres métalliques paramagnétiques. Le fait de coupler ces senseurs à des bolomètres massifs tout en conservant leurs performances nominales constituerait en soi un saut technologique.
L’impact que ce résultat aurait sur la physique des astroparticules dépasse le cadre de la 0v-DBD. Les activités prévues au sein du projet LUMINEU pour améliorer les performances des détecteurs lumière devraient ainsi conduire à des retombées importantes dans le domaine de la détection directe de la Matière Noire au sein des projets Edelweiss-3 et Eureca. En effet, l’amélioration des performances des senseurs et couplages thermiques conduira à de meilleurs seuils et sensibilités en énergie sur les voies chaleur et à une amélioration de la sensibilité de détection des WIMPs en particulier de basse masse.
LUMINEU va bénéficier de la convergence des contributions des deux communautés ; rétrospectivement les développements de LUMINEU bénéficieront aux deux domaines de recherche.
Les résultats sur les cristaux scintillant et sur les détecteurs de lumière permettront une expérience pilote de 0v-DBD, effectuée en site souterrain, contenant une quantité considérable de molybdène enrichi (environ 1 kg). Après l’aboutissement du projet LUMINEU, la réalisation d’une expérience de grande taille pour atteindre la région des neutrinos de masse effective de 20 meV ne sera qu’une question de volonté politique et de fond disponible.

Coordinateur du projet

Monsieur Andrea Giuliani (Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse) – andrea.giuliani@csnsm.in2p3.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CSNSM Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse
CEA/IRFU Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
ICMCB Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux
UPS/IAS Université Paris-Sud 11 / Institut d'Astrophysique Spatiale

Aide de l'ANR 951 960 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2012 - 48 Mois

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