Development of a Spherical Proportional Counter (SPC) for the neutrinoless double beta decay search

Abstract

Établir la nature du neutrino, comme particule de Majorana ou de Dirac, est l’une desinterrogations fondamentales de la physique des particules contemporaine. A ce jour, l’observationd’une double désintégration bêta sans émission de neutrinos est le moyen le plus sensible pourlever cette indétermination.Le programme de Recherche et Développement R2D2 (Rare Decays with Radial Detector) a pourobjectif d’adapter un détecteur SPC (Spherical Proportional Counter) à la recherche de ce processusde désintégration extrêmement rare, en utilisant l’isotope 136 du xénon porté à haute pression (40bars). Les atouts de ce détecteur sont multiples : simplicité mécanique et électronique (un seul canalde lecture), confinement d’une grande masse d’isotope dans un petit volume et très bas bruit de fondpossible.Considéré comme des attributs essentiels à la recherche d’événements rares, les objectifs de cedéveloppement sont de démontrer que les SPC peuvent atteindre une résolution en énergie de 1%FWHM à 2.46 MeV et permettent la reconstruction de la position radiale de ladésintégration. Pour y parvenir, un prototype de SPC de 40 cm de diamètre a été réalisé puis testé auLaboratoire de Physique des 2 Infinis de Bordeaux.Après la présentation des enjeux et de l’état des recherches de la désintégration, ce travail décritle détecteur développé, les travaux de simulation, ainsi que l’exploitation des mesures expérimentales.Il y est notamment démontré que pour un gaz d’argon, une résolution en énergie de 1.1% FWHM estatteinte, mais aussi que l’exploitation coïncidente des signaux d’ionisation et des signaux de scintillationpour la reconstruction de la position est possible dans ce type de détecteur.The determination of the nature of neutrino (Majorana or Dirac) is one of the fundamentalsopen questions in particle physics. To answer it, the most sensitive way is the observation of aneutrinoless double beta decay . In this framework the R2D2 (Rare Decays with RadialDetector) R&D project is assessing if the SPC (Spherical Proportional Counter) detector conceptcould meet the requirements of a decay experiment.The advantages of such a detector are its simplicity in terms of mechanics and electronics (single readoutchannel), a large mass in a small volume (at 40 bar, 1 ton of Xe is reached in a 1m radius sphere), andthe possibility to meet the extremely low background requirements for rare events searches.A first step of the R&D is to optimize a SPC prototype looking for an energy resolution at the levelof 1% FWHM at 2.5 MeV, mandatory to be competitive in the searches. The prototype in useis a 40 cm radius sphere, installed in the LP2I-Bordeaux facility.The following document give a quick review of the state of the art in the field followed by apresentation of the R2D2 prototype. To evaluate the behaviour of the detector under various conditions,the outcomes of a computer simulation are presented. Then, experimental results of energy resolutionmeasurements and simultaneous detection of light and charge signals are presented. Notably, an energyresolution as good as 1.1% FWHM for a 5.3 MeV alpha source is reported