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DETECTION DE RECULS NUCLEAIRES A L’ECHELLE DE 100 EV : CARACTERISATION DE LA REPONSE DES BOLOMETRES ET APPLICATION A LA DIFFUSION COHERENTE DES NEUTRINOS DE REACTEUR AVEC L’EXPERIENCE NUCLEUS.

Physique corpusculaire et cosmos Physique des particules Physique nucléaire

Résumé du sujet

La technologie moderne des détecteurs cryogéniques permet d’atteindre des seuils de détection extrêmement bas, de l’ordre de 10 eV, tout en conservant une masse active significative, de 1 à 100 g. Ce gain de sensibilité ouvre de belles perspectives d’études en physique fondamentale. En effet, la recherche de particules de matière noire de faible masse implique la détection de reculs nucléaires de l’ordre de 100 eV. Cette gamme d’énergie est aussi celle des reculs induits par la diffusion cohérente des neutrinos de réacteurs sur les noyaux. Accéder à ce processus permet de tester le modèle standard à travers un nouveau couplage neutrino-matière. Ce sujet de thèse propose la mise en œuvre d’une méthode innovante pour étudier précisément la réponse des bolomètres dans cette gamme inexplorée des 100 eV. C’est l’objectif du projet CRAB (Calibrated Recoils for Accurate Bolometry) [1]. Celui-ci se développe en collaboration avec l’expérience NUCLEUS [2] qui a pour but la mesure de la diffusion cohérente des neutrinos de réacteur à l’aide de bolomètres en CaWO4. La première application de la méthode CRAB sera réalisée avec ces détecteurs.

Aucune méthode de calibration absolue des bolomètres n’existe actuellement pour cette nouvelle région d’intérêt autour de 100 eV. L’extrapolation des mesures disponibles à l’échelle du keV est problématique, du fait d’une évolution rapide et non-triviale de la répartition des différents modes d’excitation du milieu de détection : phonons, ionisation et scintillation. De plus à si basse énergie, les détails de structure cristalline et la dynamique des créations de défauts deviennent non négligeables. La méthode CRAB est basée sur la capture radiative de neutrons thermiques dans le détecteur cryogénique. Elle donne accès pour la première fois à des reculs nucléaires spécifiques et connus, dans le domaine des 100 eV, et uniformément distribués dans le volume du bolomètre. Plusieurs étapes de R&D et de validation se dérouleront en collaboration avec l’IJCLab d’Orsay et l’université de Munich (TUM). La mesure finale sur un bolomètre de NUCLEUS utilisera le faisceau de neutrons du réacteur TRIGA de Vienne, en collaboration avec l’université TU-Wien. Applicable à d’autres types de bolomètres, cette méthode a potentiellement un fort impact scientifique vers les programmes de diffusion cohérente de neutrinos, de recherche de matière noire légère mais aussi de physique du solide.

Une contribution directe du travail de thèse à l’expérience NUCLEUS sera donc d’étalonner de manière absolue la réponse en énergie des détecteurs en CaWO4 via la mesure CRAB. Cette étude sera un point d’entrée pour les analyses des données NUCLEUS. La priorité sera mise sur l’exploitation du véto muon dont la mise au point a été prise en charge par le DPhN. Ce blindage actif entoure aussi hermétiquement que possible tout le dispositif de mesure avec des panneaux de plastique scintillant dont la lumière est extraite par des fibres optiques connectées à des Silicon-Photomultipliers (SiPM). Il a pour but de signer le passage des rayons cosmiques à proximité des bolomètres, à l’origine du bruit de fond dominant. Le (la) candidat(e) sera responsable de la mise en place d’outils d’analyse des données du véto muon et de leur intégration dans la chaine d’analyse de l’expérience. Ce travail devra dans un premier temps valider les performances intrinsèques de ce détecteur puis il sera étendu vers l’étude des bruits de fond, élément clé de la mesure NUCLEUS. Il s'agira de quantifier le pouvoir de réjection du véto muon et déterminer la nature des bruits résiduels.

Un montage à blanc de l’expérience est prévu en 2022 à Munich pour valider l’ensemble de l’appareillage et le niveau de bruit de fond. La prise de données neutrino devrait commencer en 2023 sur le site EDF, dans un local situé à environ 80 mètres des 2 cœurs de la centrale nucléaire de Chooz, dans les Ardennes. Au final le travail de thèse sera réparti à parts égales entre CRAB et NUCLEUS.

Laboratoire

Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service de Physique Nucléaire
Laboratoire etudes et applications des reactions nucleaires (LEARN)
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