Projet CUPID : Éclairer les neutrinos

CUPID est un projet qui vise à étudier un processus nucléaire rare appelé la désintégration double bêta sans neutrinos. Ce processus est important car il pourrait aider les scientifiques à mieux comprendre les neutrinos, qui sont des particules super légères et difficiles à détecter. Dans la désintégration double bêta sans neutrinos, deux électrons sont émis sans neutrinos accompagnants, ce qui pourrait indiquer que les neutrinos sont leurs propres antiparticules.

CUPID utilisera un grand dispositif avec 250 kg de matériel modifié isotopiquement, spécifiquement du Molybdène (Mo), et il fonctionnera à des températures extrêmement basses, autour de 10 mK. Cette température est nécessaire pour améliorer la Sensibilité des détecteurs utilisés dans l'expérience. Le dispositif sera installé dans un laboratoire en Italie, où l'expérience CUORE est également en cours.

#C'est quoi une expérience bolométrique ?

Les expériences bolométriques mesurent de petits changements de température pour détecter l'énergie provenant d'interactions de particules. Dans CUPID, les principaux détecteurs seront des Bolomètres scintillants. Ces détecteurs sont fabriqués à partir de cristaux qui émettent de la lumière lorsque des particules interagissent avec eux. La lumière est ensuite captée par des Détecteurs de lumière qui la convertissent en un signal mesurable.

L'idée est d'utiliser ces détecteurs pour chercher des preuves de la désintégration double bêta sans neutrinos en identifiant des signaux énergétiques spécifiques qui seraient indicatifs de ce processus rare. Le design des détecteurs dans CUPID est innovant, et il doit être vérifié pour son efficacité avant que l'expérience puisse pleinement commencer.

#Le défi des vibrations

Un des défis auxquels CUPID fait face est les vibrations causées par le système de refroidissement. Le cryostat CUORE utilise des tubes à pulsation pour le refroidissement, ce qui peut créer des vibrations mécaniques. Ces vibrations peuvent affecter les performances des détecteurs, donc il est essentiel de les tester pour voir comment ils réagissent à de telles perturbations.

#Premiers tests des détecteurs de lumière

Dans la phase initiale de tests, les détecteurs de lumière de CUPID, fabriqués avec des capteurs NTD-Ge, ont été testés dans un réfrigérateur à dilution avec un tube à pulsation. Ce test visait à évaluer la performance de ces détecteurs en termes de sensibilité et de Résolution énergétique.

Malgré l'environnement bruyant créé par les vibrations du système de refroidissement, les tests ont montré des résultats prometteurs. Les quatre détecteurs de lumière testés ont atteint un niveau de bruit de base en dessous de l'objectif du projet de 100 eV, ce qui suggère qu'ils peuvent efficacement détecter les petits signaux énergétiques attendus de la désintégration double bêta sans neutrinos.

#Caractéristiques des détecteurs de lumière

La performance des détecteurs de lumière a été évaluée sur plusieurs critères :

• Sensibilité : La capacité à détecter de petits changements d'énergie.
• Résolution énergétique : À quel point le détecteur peut déterminer précisément l'énergie des signaux entrants.
• Constantes de temps d'impulsion : La rapidité avec laquelle les détecteurs réagissent à l'entrée d'énergie.
• Spectre de puissance de bruit : Le niveau de bruit de fond qui pourrait interférer avec les mesures.

Les résultats de ces tests ont montré que les détecteurs de lumière fonctionnent bien même dans l'environnement difficile causé par les vibrations. Les résolutions énergétiques atteintes étaient particulièrement remarquables, avec un détecteur montrant une résolution de 0,71 keV à un niveau d'énergie notable, ce qui est le meilleur mesuré pour tout détecteur similaire dans cette plage d'énergie.

#C'est quoi la désintégration double bêta sans neutrinos ?

Pour saisir l'importance de CUPID, il est essentiel de comprendre le concept de désintégration double bêta sans neutrinos. Ce processus est un événement nucléaire rare attendu dans certains isotopes, où deux électrons sont émis sans que des neutrinos ne soient produits. La découverte potentielle de ce processus aurait des implications profondes pour la physique, indiquant que les neutrinos pourraient avoir des propriétés défiant les théories actuelles.

De nombreux processus permettent l'émission de deux neutrinos, ce qui est courant dans les réactions nucléaires. Cependant, détecter la désintégration double bêta sans neutrinos pourrait indiquer de nouvelles physiquess, comme la violation du nombre de leptons, qui n'est pas actuellement prise en compte dans les modèles physiques standards.

#Le rôle des bolomètres dans l'expérience

Les bolomètres sont des composants clés de l'expérience CUPID. Ils fonctionnent en enregistrant de minuscules augmentations de température qui se produisent lorsqu'une particule interagit avec le matériau du détecteur. L'augmentation de température du bolomètre est convertie en un signal électrique, qui peut ensuite être analysé.

CUPID utilisera un type de bolomètre fabriqué à partir de cristaux enrichis en Molybdène. Ces cristaux sont efficaces pour enregistrer les interactions des particules et seront couplés aux détecteurs de lumière pour améliorer la capacité à détecter et mesurer les changements d'énergie.

#Le design de l'installation CUPID

L'installation CUPID implique plusieurs couches de composants travaillant ensemble. Des cadres en cuivre maintiendront les détecteurs de lumière et les cristaux scintillants en place. Le design permet un assemblage facile et minimise l'utilisation de vis et d'autres matériaux qui pourraient créer du bruit supplémentaire.

La configuration vise également à améliorer la performance globale des détecteurs en veillant à ce qu'ils puissent répondre efficacement et collecter la lumière provenant des interactions se produisant dans les cristaux voisins. L'objectif est de garder la structure ouverte, ce qui accroît les chances de détection de coïncidence, aidant à filtrer le bruit de fond indésirable.

#Assemblage et tests des détecteurs de lumière

L'assemblage des détecteurs de lumière pour CUPID a été effectué en mettant l'accent sur la simplification par rapport aux configurations précédentes. Chaque tour se compose de modules qui abritent les détecteurs de lumière et les cristaux. En sécurisant ces éléments de manière à exercer une pression minimale sur les composants sensibles, l'équipe espère réduire le bruit causé par les vibrations mécaniques.

Pendant les tests, des mesures minutieuses ont été prises pour examiner la performance des détecteurs de lumière, en se concentrant sur leur réponse aux entrées d'énergie et sur la façon dont les caractéristiques de leur signal affectaient leur sensibilité.

#Collecte et analyse des données

Une fois les détecteurs opérationnels, des données ont été collectées en continu au fur et à mesure qu'ils enregistraient les signaux entrants. Un programme logiciel spécialisé a traité ces données, appliquant un filtre optimal pour maximiser le rapport signal/bruit. En utilisant cette technique de filtrage, l'équipe visait à isoler les signaux d'intérêt du bruit de fond.

Lors de cette analyse, des caractéristiques clés des signaux acquis ont été évaluées, y compris leur amplitude et leurs caractéristiques temporelles. Ces facteurs jouent un rôle crucial dans la compréhension de la façon dont les détecteurs fonctionnent et leur capacité à identifier avec précision les événements liés à la désintégration double bêta sans neutrinos.

#Comprendre la performance des détecteurs de lumière

Les tests des détecteurs de lumière ont révélé des informations précieuses sur leur performance. Une attention particulière a été portée à la résistance des thermistors utilisés dans les détecteurs, car cela peut influencer leur capacité à enregistrer les changements de température.

Les données obtenues à partir des détecteurs ont montré des résistances élevées et des réponses variables, ce qui est courant dans les mesures à haute impédance. Ce bruit peut affecter la fiabilité globale des données recueillies. Notamment, un des objectifs centraux de CUPID est d'améliorer la vitesse des détecteurs de lumière pour mieux gérer les signaux qui se chevauchent provenant de diverses interactions de particules.

#Calibration énergétique des détecteurs

Pour garantir l'exactitude, les détecteurs de lumière doivent subir un processus de calibration. Cela a été réalisé en utilisant des émissions de rayons X provenant du cuivre pour fournir un point de référence. En exposant les détecteurs à des niveaux d'énergie connus, l'équipe a pu créer une base pour interpréter les futures mesures.

Le processus de calibration a indiqué que les détecteurs de lumière fonctionnaient bien sur diverses plages d'énergie. Ils ont démontré la capacité à mesurer avec précision des niveaux d'énergie correspondant à des interactions de particules connues. Cette calibration réussie est une étape significative dans la préparation des futures expériences qui chercheront la désintégration double bêta sans neutrinos.

#Conclusion

Les premiers tests des détecteurs de lumière de CUPID montrent des résultats prometteurs, indiquant qu'ils peuvent fonctionner efficacement dans des environnements difficiles. La capacité d'atteindre un faible bruit de base et une haute résolution énergétique suggère que CUPID est sur la bonne voie pour découvrir des informations importantes sur la désintégration double bêta sans neutrinos.

Alors que la collaboration CUPID avance, l'accent restera sur l'optimisation de la performance de ces détecteurs, le raffinement de leurs conceptions et la réalisation d'expériences supplémentaires pour approfondir notre compréhension des neutrinos et de la physique fondamentale. Les connaissances acquises grâce à ce travail pourraient conduire à des avancées majeures dans notre compréhension de l'univers et des forces fondamentales qui le gouvernent.