Détection de reculs nucléaires à l'échelle de 100 eV: Caractérisation de la réponse des bolomètres et application à la diffusion cohérente des neutrinos de réacteur avec l'expérience NUCLEUS

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Detection of nuclear recoils at the100 eV scale : Characterization of the response of bolometers and application to coherent scattering of reactor neutrinos with the nucleus experiment

Supervisor: Lhuillier, David ; Abele, Harmut ; Jericha, Erwin
Report number: FRCEA-TH--17890
Physical description: 226 p.
Document: Thèse ; Thèse CEA

Keywords: calibration ; bolometer ; coherent scattering ; reactor ; neutrino ; bolomètre ; diffusion cohérente ; réacteur
INIS subject category: INSTRUMENTATION RELATED TO NUCLEAR SCIENCE AND TECHNOLOGY

Résumé: Cette thèse s'articule autour de deux axes principaux : d'une part, ma contribution à l'expérience NUCLEUS, qui vise à détecter les reculs nucléaires (NR) induits par la diffusion cohérente des neutrinos de réacteur sur les noyaux (CEvNS) ; d'autre part, le développement de la méthode CRAB (Calibrated Recoil for Accurate Bolometry) pour la calibration en énergie des NR dans les cryodétecteurs.L'expérience NUCLEUS sera prochainement installée à proximité de la centrale nucléaire de Chooz (Ardennes, France). Sur ce site, les principales sources de bruit de fond proviennent des γ ambiants, des neutrons atmosphériques et des muons cosmiques. La réduction du bruit de fond constitue un enjeu central pour NUCLEUS, condition indispensable à l'observation du signal CEvNS. Pour y répondre, l'expérience repose sur un cryodétecteur cible, des blindages passifs, ainsi que deux systèmes de veto destinés à identifier et rejeter les différentes contributions au bruit de fond. Avant son installation à Chooz, l'expérience a été déployée dans un laboratoire souterrain à Munich pour une phase de préparation, comprenant un montage à blanc suivi d'un First Commissioning Run (FCR). Dans ce cadre, j'ai été responsable de la mise en service du veto muon. J'ai ainsi pu valider la réponse de tous les modules du veto muon ainsi que leurs performances. J'ai également contribué à l'analyse des données du FCR, qui a démontré le bon fonctionnement de l'ensemble des détecteurs de NUCLEUS. Un travail particulier a été mené sur la synchronisation des différentes acquisitions, afin de valider le rejet des bruits de fond par les systèmes de veto. En particulier, l'efficacité du veto muon pour rejeter le bruit de fond induit par les muons cosmiques a été clairement démontrée.Dans le second volet de cette thèse, je présente mes contributions dans le développement et la validation la méthode CRAB. Cette méthode permet de calibrer des NR dans la région sub-keV, ce qui constitue un progès déterminant pour les futures expériences de physique des neutrinos et de matière noire. Cette méthode repose sur la capture radiative de neutrons par un noyau cible. Lors de la désexcitation du noyau par émission d'un γ, celui-ci subit un recul d'énergie fixée par la cinématique à deux corps, générant ainsi un pic de calibration dans la région d'intérêt. J'ai conduit des simulations permettant de valider cette approche pour plusieurs matériaux cibles (CaWO₄, Al₂O₃, Ge, Si), en analysant notamment l'impact de la coïncidence NR- γ sur le rapport signal/bruit. J'ai également participé à la validation expérimentale de la méthode sur une cible en Al₂O₃. Dans le cadre de ma cotutelle avec l'Université technique de Vienne (Autriche), j'ai passé un an sur place pour contribuer au développement instrumental de la phase II du projet CRAB, menée auprès du réacteur de recherche TRIGA-Mark II de l'Atominstitute offrant un faisceau de neutrons purement thermiques. J'ai participé à la mise en service des détecteurs γ et assuré le fonctionnement du cryostat. Enfin, l'analyse des premières données collectées à Vienne a permis d'obtenir des résultats prometteurs, en bon accord avec les simulations, et confirmant la coïncidence γ-NR.
Abstract: This thesis is structured around two main axes: on one hand, my contribution to the NUCLEUS experiment, which aims to detect nuclear recoils (NR) induced by the coherent elastic scattering of reactor neutrinos off nuclei (CEvNS); on the other hand, the development of the CRAB (Calibrated Recoil for Accurate Bolometry) method for the energy calibration of NRs in cryogenic detectors.The NUCLEUS experiment will soon be installed near the Chooz nuclear power plant (Ardennes, France). At this site, the main sources of background arise from ambient γ-rays, atmospheric neutrons, and cosmic muons. Reducing background is a central challenge for NUCLEUS, as it is essential for observing the CEvNS signal. To address this, the experiment relies on a cryogenic target detector, passive shielding, and two veto systems designed to identify and reject the various background contributions. Prior to its installation at Chooz, the experiment was deployed in an underground laboratory in Munich for a preparation phase, including a blank assembly followed by a First Commissioning Run (FCR). As part of this phase, I was responsible for the commissioning of the muon veto system. I successfully validated the response of all muon veto modules and their performance. I also contributed to the analysis of the FCR data, which demonstrated the proper functioning of the full NUCLEUS detection system. A particular focus was placed on synchronizing the various acquisition systems, to ensure efficient background rejection by the veto systems. In particular, the effectiveness of the muon veto in rejecting cosmic muon-induced backgrounds was clearly demonstrated.The second part of this thesis focuses on the CRAB method, which I contributed to develop and validate. This method enables calibration of nuclear recoils in the sub-keV energy range, a key step forward for future neutrino and dark matter experiments. The principle is based on the radiative neutron capture on a target nucleus. During the de-excitation via γ emission, the nucleus recoils with a fixed energy determined by two-body kinematics, thus generating a calibration peak in the region of interest. I carried out simulations to validate this method for several target materials (CaWO₄, Al₂O₃, Ge, Si), particularly studying the impact of NR-γ coincidence on the signal-to-background ratio. I also participated in the experimental validation of the method on an Al₂O₃ target. As part of my joint PhD with the Technical University of Vienna (Austria), I spent one year in Vienna contributing to the instrumental development of Phase II of the CRAB project, carried out at the TRIGA-Mark II research reactor of the Atominstitute, which provides a purely thermal neutron beam. I took part in the commissioning of the γ detectors and was responsible for operating the cryostat. Finally, analysis of the first data collected in Vienna yielded promising results, in good agreement with simulations and confirming the NR-γ coincidence signal.

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