Enquête sur la désintégration double bêta sans neutrinos avec l'expérience CROSS
L'expérience CROSS améliore la détection des événements de désintégration nucléaire rares.
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Table des matières
L'expérience CROSS se concentre sur l'étude d'un type rare de désintégration nucléaire connu sous le nom de désintégration double bêta sans neutrinos. Cette désintégration est intéressante parce qu'elle pourrait nous en dire plus sur le comportement des particules et la nature des neutrinos. Pour enquêter là-dessus, l'expérience utilise des détecteurs spéciaux capables de capter de minuscules signaux provenant des particules.
Pour maximiser les chances d'observer ces événements rares, l'expérience CROSS a conçu une structure mécanique spécifiquement pour tenir les détecteurs thermiques. Ces détecteurs sont sensibles aux variations de température causées par les particules qui interagissent avec eux.
Conception de la structure du détecteur
La structure mécanique est fabriquée pour minimiser le bruit de fond, assurant que les détecteurs puissent fonctionner au mieux. Chaque module de la structure contient deux Bolomètres scintillants, qui sont les détecteurs clés de l'expérience. Les bolomètres sont faits de cristaux de molybdate de lithium, qui sont de petits cubes mesurant 45 mm de chaque côté.
Il y a deux versions de cette structure : le design Épais, qui a plus de Cuivre autour, et le design Fin, qui en utilise moins. La version Épaisse a environ 15 % de cuivre par rapport à la masse du cristal, tandis que la version Fine n’en a que 6 %. Cette réduction de cuivre aide à réduire le niveau de bruit, rendant plus facile la détection des minuscules signaux qui nous intéressent.
Les structures ont été testées à la fois en surface et en sous-sol. Les tests en surface ont été réalisés en France, tandis que les tests en sous-sol ont eu lieu en Espagne, où il y a moins de bruit de fond causé par les rayons cosmiques.
Test des bolomètres
Lors des tests, les bolomètres ont montré des performances impressionnantes. Ils démontrent une grande sensibilité et peuvent détecter de petites variations d'énergie. La résolution en énergie de ces détecteurs est rapportée entre 5 et 7 keV. Cela signifie qu'ils peuvent distinguer différents niveaux d'énergie déposés par les particules qui interagissent, ce qui est crucial pour identifier le type de désintégration étudié.
Grâce à leur conception, les bolomètres sont capables de détecter de faibles niveaux de lumière de scintillation produite lors des interactions. Cependant, la quantité de lumière détectée est relativement petite, autour de 0,3 keV pour chaque 1 MeV d'énergie déposée dans le cristal. Malgré cela, les détecteurs peuvent efficacement séparer les signaux provenant de différents types de particules grâce à leur conception.
Importance de la détection des particules
La capacité à distinguer différents types de particules est vitale pour le succès de l'expérience. Le projet CROSS vise à réduire le bruit de fond qui peut interférer avec les lectures, permettant aux scientifiques de mieux identifier les signaux liés à la désintégration double bêta sans neutrinos. Les bolomètres jouent un rôle clé à ce sujet, car ils peuvent mesurer à la fois la chaleur et la lumière produites lors des interactions des particules.
Directions futures
Pour les expériences futures, surtout celles de plus grande envergure, il y a des projets d'améliorer encore les détecteurs de lumière. Une méthode envisagée est d'utiliser une technique spéciale appelée effet Neganov-Trofimov-Luke, qui aide à renforcer le signal des détecteurs de lumière. Cela permettrait une meilleure identification des particules et améliorerait l'exactitude globale des expériences.
Conclusion
L'expérience CROSS représente un effort significatif pour percer les mystères du comportement des particules et des propriétés des neutrinos. Avec son design mécanique innovant et l'incorporation de la technologie bolométrique avancée, elle vise à apporter d'importantes contributions à notre compréhension de la physique fondamentale. Les améliorations et découvertes continues de l'expérience pourraient ouvrir la voie à de futurs progrès dans la détection des particules et la recherche en physique nucléaire.
Titre: A novel mechanical design of a bolometric array for the CROSS double-beta decay experiment
Résumé: The CROSS experiment will search for neutrinoless double-beta decay using a specific mechanical structure to hold thermal detectors. The design of the structure was tuned to minimize the background contribution, keeping an optimal detector performance. A single module of the structure holds two scintillating bolometers (with a crystal size of 45x45x45 mm and a Ge slab facing the crystal's upper side) in the Cu frame, allowing for a modular construction of a large-scale array. Two designs are released: the initial $Thick$ version contains around 15% of Cu over the crystal mass (lithium molybdate, LMO), while this ratio is reduced to ~6% in a finer ($Slim$) design. Both designs were tested extensively at aboveground (IJCLab, France) and underground (LSC, Spain) laboratories. In particular, at LSC we used a pulse-tube-based CROSS facility to operate a 6-crystal array of LMOs enriched/depleted in $^{100}$Mo. The tested LMOs show high spectrometric performance in both designs; notably, the measured energy resolution is 5--7 keV FWHM at 2615 keV $\gamma$s, nearby the Q-value of $^{100}$Mo (3034 keV). Due to the absence of a reflective cavity around LMOs, a low scintillation signal is detected by Ge bolometers: ~0.3 keV (150 photons) for 1-MeV $\gamma$($\beta$) LMO-event. Despite that, an acceptable separation between $\alpha$ and $\gamma$($\beta$) events is achieved with most devices. The highest efficiency is reached with light detectors in the $Thick$ design thanks to a lower baseline noise width (0.05--0.09 keV RMS) when compared to that obtained in the $Slim$ version (0.10--0.35 keV RMS). Given the pivotal role of bolometric photodetectors for particle identification and random coincidences rejection, we will use the structure here described with upgraded light detectors, featuring thermal signal amplification via the Neganov-Trofimov-Luke effect, as also demonstrated in the present work.
Auteurs: D. Auguste, A. S. Barabash, V. Berest, L. Bergé, J. M. Calvo-Mozota, P. Carniti, M. Chapellier, I. Dafinei, F. A. Danevich, T. Dixon, L. Dumoulin, F. Ferri, A. Gallas, A. Giuliani, C. Gotti, P. Gras, A. Ianni, L. Imbert, H. Khalife, V. V. Kobychev, S. I. Konovalov, P. Loaiza, P. de Marcillac, S. Marnieros, C. A. Marrache-Kikuchi, M. Martinez, C. Nones, E. Olivieri, A. Ortiz de Solórzano, Y. Peinaud, G. Pessina, D. V. Poda, Ph. Rosier, J. A. Scarpaci, V. I. Tretyak, V. I. Umatov, M. M. Zarytskyy, A. Zolotarova
Dernière mise à jour: 2024-07-24 00:00:00
Langue: English
Source URL: https://arxiv.org/abs/2405.18980
Source PDF: https://arxiv.org/pdf/2405.18980
Licence: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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Liens de référence
- https://jinst.sissa.it/jinst/help/JINST/TeXclass/jinst-author-manual.pdf
- https://a2c.ijclab.in2p3.fr/en/a2c-home-en/assd-home-en/assd-cross/
- https://arxiv.org/abs/2202.01787
- https://indico.fnal.gov/event/19348/contributions/186492/
- https://arxiv.org/abs/1907.09376
- https://arxiv.org/abs/2304.04611
- https://arxiv.org/abs/2302.13944
- https://indico.fnal.gov/event/19348/contributions/186315/
- https://cryoconcept.com/product/the-ultra-quiet-technology/
