En route vers BINGO : développement de technologies avancées de réduction du bruit de fond pour les expériences bolométriques de désintégration double bêta sans neutrino

La désintégration double bêta sans neutrino (0ν2β) est un processus clé dans la recherche des neutrinos de Majorana. Son observation confirmerait la violation de la conservation du nombre leptonique, démontrant que les neutrinos sont leurs propres antiparticules, et fournirait des informations cruciales sur l’échelle absolue de la masse des neutrinos ainsi que sur leur hiérarchie. L’expérience CUPID (CUORE Upgrade with Particle ID) vise à atteindre la sensibilité requise pour explorer la région de la hiérarchie inversée du spectre de masse des neutrinos ainsi qu’une fraction significative de la hiérarchie normale (ou directe). Elle utilisera un ensemble de bolomètres scintillants composés de cristaux de Li₂MoO₄ (LMO) enrichis en ¹⁰⁰Mo, couplés à des détecteurs bolométriques de lumière en germanium. Cette lecture duale chaleur-lumière permet un rejet efficace des bruits de fond α, qui limitent actuellement la sensibilité de son prédécesseur, CUORE. CUPID vise à atteindre un indice de bruit de fond sans précédent de 10⁻⁴ comptes/kg/keV/an (ckky) dans la région d’intérêt (ROI) et à établir la technologie nécessaire pour une future expérience bolométrique de 0ν2β à l’échelle de la tonne. Au-delà de CUPID, des améliorations supplémentaires de la sensibilité sont nécessaires pour explorer plus en profondeur la région de la hiérarchie normale. Le projet BINGO (Bi-Isotope 0ν2β Next Generation Observatory), au centre de cette thèse, introduit des stratégies novatrices pour réduire les niveaux de bruit de fond à 10⁻⁵ckky pour l’étude simultanée des isotopes ¹⁰⁰Mo et ¹³⁰Te. La principale innovation de BINGO réside dans le développement d’un assemblage détecteur optimisé qui minimise les matériaux passifs entourant les détecteurs, réduisant ainsi la contamination de fond due à la radioactivité de surface. Cet assemblage a été testé lors de mesures cryogéniques et a démontré une bonne stabilité mécanique ainsi qu’une performance bolométrique satisfaisante. De plus, un système de veto actif cryogénique a été conçu pour identifier et rejeter le rayonnement externe γ. Un module prototype de veto, composé de quatre cristaux de BGO, a été testé dans des conditions cryogéniques, confirmant la faisabilité de cette approche. Des mesures complémentaires de collecte de lumière à température ambiante ont également été réalisées afin d’optimiser le rendement lumineux en utilisant différents matériaux réfléchissants. Enfin, BINGO explore les avancées en matière de détection de lumière. Les cristaux de TeO₂, un choix privilégié pour la calorimétrie bolométrique, nécessitent une meilleure collecte de lumière pour fonctionner en tant que bolomètres scintillants. Ce défi est relevé par l’implémentation de détecteurs de lumière de type Neganov-Trofimov-Luke (NTL), qui amplifient les signaux de scintillation afin d’améliorer l’identification des particules et le rejet des événements de bruit de fond. Cette thèse présente des travaux de R&D sur la fabrication des détecteurs, explorant diverses géométries d’électrodes pour maximiser le gain NTL. Les résultats de ces travaux contribuent directement au développement du démonstrateur MINI-BINGO, une étape clé vers l’extension de cette technologie à plus grande échelle. Cette thèse décrit la conception du démonstrateur, le développement du blindage cryostatique passif et son rôle en tant que preuve de concept pour une future expérience de 0ν2β à l’échelle de la tonne. La transition d’un démonstrateur à une expérience à grande échelle est discutée, avec un accent particulier sur l’intégration de BINGO dans le cryostat de CUORE et ses implications pour les futures recherches de nouvelle génération.