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Motivations scientifiques

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Les activités du groupe portent sur l’étude des propriétés du neutrino et sur la mesure des très faibles radioactivités. Ces activités s’intègrent dans les collaborations internationales NEMO3 et SuperNEMO.

Bien que le neutrino soit la particule de matière la plus abondante dans l’Univers, ses propriétés restent encore très mal connues. Connaître la masse et la nature du neutrino est un enjeu central en physique des particules et en cosmologie. Si le neutrino est sa propre antiparticule et si la symétrie CP (symétrie de charge et parité) est brisée pour les leptons, le neutrino pourrait être à l’origine de la matière dans l’Univers et expliquer l’excès de matière par rapport à l’antimatière. Le processus le plus sensible pour découvrir la nature et la masse du neutrino est la désintégration double bêta sans émission de neutrino ββ(0ν) au cours de laquelle un noyau émet simultanément deux électrons. La mise en évidence de cette décroissance prouverait que le neutrino est sa propre antiparticule, permettrait d’accéder à sa masse reliée à la période T1/2 (ββ(0ν)) et montrerait la non-conservation du nombre leptonique au cours des décroissances radioactives. L’observation de cette désintégration apporterait également des informations sur la violation de symétrie CP dans le secteur leptonique.

La signature expérimentale de la radioactivité ββ(0ν) est la détection des deux électrons émis en coïncidence et dont la somme en énergie est égale à l’énergie de transition de la décroissance (≈3MeV). Les limites actuelles sur la période du processus ββ(0ν) étant de l’ordre de 1024 ans, la principale difficulté expérimentale est de s’affranchir des bruits de fond provenant de la radioactivité naturelle. Deux approches expérimentales sont possibles, l’une privilégiant la précision sur la mesure en énergie, l’autre incluant un détecteur de traces pour signer les deux électrons. Au-delà de la mesure de la somme en énergie des deux électrons émis, cette dernière technique permet également de distinguer la nature du mécanisme ayant conduit à la désintégration ββ(0ν) en accédant à la distribution angulaire et à l’énergie individuelle des deux électrons.

C’est cette approche expérimentale qui a été choisie pour les détecteurs NEMO3 et SuperNEMO. Une feuille source mince (80 μm dans NEMO3 et 40 μm dans SuperNEMO) constituée d’isotopes émetteurs double-bêta est placée au centre d’un trajectographe formé de cellules gazeuses fonctionnant en régime Geiger. Le trajectographe est ensuite entouré d’un calorimètre composé de scintillateurs plastiques couplés à des photomultiplicateurs (PM) afin de mesurer l’énergie et le temps de vols des particules. Cette configuration permet aussi d’étudier simultanément plusieurs isotopes émetteurs double-bêta. Le détecteur NEMO3 , en prise de données de 2003 à 2011 au Laboratoire Souterrain de Modane (LSM), de forme cylindrique de 2 m de rayon et 3 m de hauteur, contenait principalement 7 kg de 100Mo et 1 kg de 82Se.

La sensibilité atteinte sur la période T1/2 de la décroissance ββ(0ν) du 100Mo est de 1,0.1024 ans (90% C.L.), soit une limite comprise entre 0,3 et 0,8 eV sur la masse effective du neutrino (suivant les éléments de matrice nucléaires considérés). Cette sensibilité est équivalente à celle des autres expériences double-bêta, purement calorimétrique. L’expérience NEMO3 a également permis de mesurer avec précision les périodes ββ(2ν) et d’améliorer les limites ββ(0ν) pour plusieurs autres isotopes. Depuis 2006, la collaboration SuperNEMO a entrepris un programme de R&D pour construire un détecteur 100 fois plus sensible sur la période ββ(0ν) en utilisant 100 kg d’isotopes émetteurs double-bêta, et en améliorant la résolution en énergie et la radiopureté du détecteur. Un démonstrateur correspondant à 1/20ème du détecteur final est en cours de construction depuis 2012 pour un début de prise de données en 2015 au LSM. De géométrie rectangulaire de 6 x 4 x 2 m3, il pourra contenir jusqu’à 7 kg d’isotopes de 82Se. Ce détecteur permettra de valider les résultats de R&D, de contrôler la radiopureté de l’ensemble des structures en fonctionnement et d’atteindre une sensibilité sur la période T1/2 de la décroissance ββ(0ν) du 82Se de 6,5.1024 ans (90% C.L.). Cette sensibilité permettra de tester le résultat positif de l’expérience Heidelberg-Moscou. Le détecteur final SuperNEMO pourra quant à lui atteindre une sensibilité de 1026 ans (90% C.L.) sur la période T1/2 de la décroissance ββ(0ν) du 82Se correspondant à une limite sur la masse effective du neutrino comprise entre 0,05 et 0,1 eV (suivant les éléments de matrice nucléaires considérés).