Soutenance de thèse de Hichem TEDJDITI

Le neutrino est aujourd'hui considéré comme la particule la plus abondante de l'univers après le photon. Elle est impliquée dans de nombreux domaines couvrant les champs de la physique des particules et nucléaire à l'astrophysique et la cosmologie. Elle possède une section efficace très faible rendant ainsi son étude difficile. Aujourd'hui, l'étude de la masse et l'étude de la nature du neutrino est au coeur de la recherche au delà du modèle standard de la physique des particules. Il fut tout d'abord postulé par W. Pauli en 1930 afin de sauver le principe de conservation de l'énergie. La lettre qu'il écrit à un ami exprime parfaitement le côté équivoque du neutrino: "I have done something very bad today by proposing a particle that cannot be detected ; it is something no theorist should ever do”. La première détection du neutrino arriva un quart de siècle plus tard, en 1956, avec le détecteur Poltergeist confirmant ainsi son existence. Au cours de la même année, l'observation de la violation de la symétrie de parité, dans la désintégration bêta des noyaux de $^{60}Co$, démontre ainsi que l'interaction faible ne conserve pas l'inversion spatiale. Le Modèle Standard permet cet effet si l'une des particules n'a pas de masse. La mesure des neutrinos solaires permit de mettre en évidence un déficit des neutrinos électroniques détectés d'environ deux tiers. Le Modèle Standard permet aussi d'expliquer ce phénomène grâce à un mécanisme de mélange d'états de masse générant une oscillation entre les saveurs de neutrinos lors de leur propagation. Cependant, ce mécanisme nécessite une masse effective non nulle. En 2015, Takaaki Kajita (SuperKamiokande) et Arthur B. McDonald (SNO) reçoivent le prix nobel de physique pour l'observation de l'oscillation des neutrinos, prouvant ainsi que le neutrino avait une masse. La théorie intéressant le travail de cette thèse est la théorie du neutrino de Majorana: est-ce que le neutrino peut être sa propre anti-particule, dite de Majorana ? Le neutrino est le seul fermion connu qui peut être de Majorana. Le travail de cette thèse a été réalisé dans le cadre de l'expérience SuperNEMO et de son démonstrateur. À l'instar de nombreuses expériences de physique des particules, SuperNEMO est une collaboration internationale qui tente de répondre à cette question grâce à la mesure d'une désintégration encore de nos jours jamais détectée : la désintégration double bêta sans neutrinos. Cette désintégration permettrait de connaître la nature du neutrino quelque soit le mécanisme impliqué et la connaissance de son temps de demie-vie donnerait accès à son échelle de masse. L'étude du bruit de fond du module démonstrateur de l'expérience SuperNEMO est un élément crucial de la maîtrise de la réponse du détecteur. Cette thèse s'est concentrée dans un premier temps sur cette réponse, avec le commissioning du calorimètre, et l'étude de la baseline des PMs de ce calorimètre et des sources de crosstalk présentes dans le détecteur. Le deuxième volet de cette thèse a été l'étude du bruit de fond induit par le radon, un gaz noble radioactif naturel, dont il n'est pas possible de s'affranchir. Les descendants du radon émettant des gammas, l'étude de ce bruit de fond s'est donc effectuée par le développement d'un algorithme de reconstruction du parcours des gammas qui permet d'identifier la présence et la nature des descendants, et donc la quantité de radon intrinsèquement présente dans le détecteur. Enfin, un détecteur sphérique gazeux proportionnel a été développé au CPPM afin de déterminer s'il est possible de contrôler la quantité de radon présente dans le détecteur SuperNEMO.

The neutrino is currently considered the most abundant particle in the universe after the photon. It is at the core of multiple research fields ranging from particle and nuclear physics to astrophysics and cosmology, but its very small cross section makes studying it challenging. In the current scope of physics, studying the mass and the nature of the neutrino is fundamental in the research beyond the standard model of particle physics. Its theoretical existence was first proposed by W. Pauli in 1930 in an effort to preserve the law of conservation of energy. The letter he wrote to a friend of his perfectly summarizes the ambiguous nature of the neutrino : "I have done something very bad today by proposing a particle that cannot be detected ; it is something no theorist should ever do”. The first neutrino detection occurred a quarter-century later, in 1956, with the Poltergeist detector thus confirming its existence. In the same year, the observation of parity symmetry breaking in the beta disintegration of $^{60}Co$ nuclei showed that the weak interaction does not conserve the spatial inversion. This is allowed by the standard model of particle physics if one of the particles is massless. The detection of solar neutrinos and the measurement of their parameters highlighted a deficit in the electronic neutrinos flux of about two thirds. The standard model also allows for this phenomenon through a mechanism of mass states mixing, generating an oscillation between the neutrino flavors during their propagation. However, this mechanism requires a non-null effective mass of the particle. In 2015, Takaaki Kajita (SuperKamiokande) and Arthur B. McDonald (SNO) received the physics Nobel Prize for the observation of the oscillation of the neutrinos, thus proving that the neutrino is indeed not massless. The theory that spiked the interest in the work presented in this thesis is the Majorana neutrino theory : can the neutrino be its own anti-particle, known as a Majorana particle ? The neutrino is the only known fermion that could be a Majorana particle. The work presented in this thesis was conducted in the framework of the SuperNEMO experiment and its demonstrator. Like most particle physics experiments, SuperNEMO is an international collaboration, looking to answer the Majorana question with the measurement of a disintegration never yet observed : the neutrinoless double beta disintegration. This disintegration would yield information on the neutrino nature regardless of the involved mechanism, and knowledge of the neutrino half-life time would give access to its mass hierarchy. The study of the background noise of the demonstrator module of the SuperNEMO experiment is a crucial part of understanding the response of the detector. The first aspect of the research work of this thesis was thus focused on this response, with the commissioning of the SuperNEMO calorimeter and the study of both the baseline of the PMTs of this calorimeter as well as the different crosstalk sources in the detector. A second part of this thesis was the study of the background noise induced by radon, a noble radioactive natural gas that acts as an interference by adding to the ambient noise of the detector response. The radioactive descendants of radon decaying into gammas, the study of this background noise was conducted with the development of a reconstruction algorithm for the trajectory of these gammas, which allows for the identification of the presence and nature of the descendants, and thus of the initial quantity of radon intrinsically present in the detector. Finally, a proportional gaseous spherical detector was developed in CPPM in order to investigate the possibility of controlling the radon quantity present in the SuperNEMO detector.