Development and optimization of scintillating bolometers and innovative light detectors for the search for neutrinoless double beta deca

The PhD work described in this manuscript was performed in the framework of the LUMINEU project, a pilot search for the neutrinoless double beta decay (0νββ) of the isotope in 100Mo with ZnMoO4 scintillating bolometers. The main PhD activity has consisted the development of a particle detection technology able to fulfill the requirement of a next generation experiment on 0νββ capable of exploring the inverted hierarchy region of the neutrino mass pattern. We report about an experimental physics work involving progress in detector prototype design and tests, and development of tools in view of a large experiment preparation. The neutrinoless double beta decay is a hypothetical rare nuclear transition with a half life T1/2>1025 years, which is possible for some nuclei with an even number both of protons and neutrons. In the 0νββ transition two neutrons decay simultaneously in two protons with the emission of only two electrons. In a first approximation it can be seen as two simultaneous β-decays where the two neutrinos act as a single virtual particle joining the two decay vertices. It is demonstrated that any process which leads to 0νββ is possible only if ν≡ ν̄ˉ, i.e. the neutrino is a Majorana particle, which is in contrast with the Standard Model assumptions. Therefore, the observation of this phenomenon can determine the Majorana nature of massive neutrinos. This is of fundamental importance to make progress in our understanding of the origin of neutrino masses and mixing and of the symmetries governing the lepton sector of particle interactions. The measurement of the T1/2 of the process would give unvaluable information on the absolute scale of neutrino masses, the type of neutrino mass spectrum and the Majorana phases. The detection approach adopted in this thesis is the homogeneous bolometric technique, which fits well the detector characteristics needed to investigate rare events. The detector provides high efficiency and a very good energy resolution and, thanks to a scintillating absorber, it allows particle discrimination for background suppression. As can be easily understood, the control of the background is crucial to measure such rare decays. The first part of this thesis focuses on the neutrino physics and on the 0νββ decay; moreover the experimental detection approaches are briey discussed and the sensitivity to the half life of a 0νββ experiment is discussed. To understand the progress achieved in the technology development, the following chapter is dedicated to the detector physics: the components of a bolometer, a simple thermal model, and the detector response are introduced. The second part of this work is dedicated to the setup. The detectors used work at very low temperatures (~10 mK), thus sophisticated thermal machines are needed; the working principles of these cryogenic systems are presented focusing on the details of the ones used in this work. Since the experimental work discussed in this thesis concerns the detector assembly and measurement, the data acquisition and analysis are discussed in details too. The final part of the thesis is devoted to the results, starting with the progress made on bolometric light detectors: a description and optimization of the light detector design, the effect of anti-reflective coating and the thermal response enhancement obtained with the Neganov-Luke effect are presented. The results on the development of the LUMINEU prototype detectors and the measurements are summarized, from the working tests to the radioactive contaminant measurements. The growth and purification process of the ZnMoO4 crystals are also presented. Based on these results, a final sensitivity of a future experiment based on this detector is computed. Finally we present a spin-off of the LUMINEU project consisting in a scintillating bolometer prototype made with an alternative compound absorber, Li2MoO4. We examine the advantages and disadvantages with respect to the ZnMoO4. This manuscript aims at being a guide to an experimental approach for the search for neutrinoless double beta decay, a manual for scintillating bolometer operations and a report about the successful LUMINEU project. Le travail de doctorat exposé dans ce manuscrit a été développé dans le cadre du projet LUMINEU, une expérience pilote pour la double désintégration bêta sans émission de neutrinos (0νββ) de l'isotope 100Mo avec des bolométres scintillants de ZnMoO4. L'activité principale du doctorat consistait en le développement d'une technologie de détection de particules capable de satisfaire les conditions nécessaire d'une experience de 0νββ de nouvelle génération qui soit capable d'examiner la région de la hiérarchie inversée du modèle de la masse du neutrino. Nous exposons un travail de physique expérimentale qui implique l'avancement du design et des tests des prototypes de détecteurs, et le développement des outils en vue de la préparation d'une expérience importante. La double désintégration bêta sans émission de neutrinos est une hypothétique transition nucléaire rare avec une demi-vie de T1/2>1025 ans, qui est possible pour certains noyaux avec un nombre pair de protons et de neutrons. Dans la transition 0νββ deux neutrons se désintégrent simultanément en deux protons avec l'émission de deux électrons seulement. Dans une première approximation, ce peut être vu comme deux β désintégrations où les deux neutrinos agissent comme une seule particule virtuelle en joignant les deux sommets de désintégration. Il est prouvé que n'importe quel processus qui conduit au 0νββ est possible seulement si if ν≡ ν̄ˉ, v.g. le neutrino est une particule de Majorana, qui contraste avec les hypothéses du Modèle Standard. Par conséquence, l'observation de ce phénomène peut déterminer la nature Majorana des neutrinos massifs. C'est très important de faire progresser notre compréhension de l'origine de la masse et de la composition des neutrinos et de la symétrie qui régit le secteur des leptons des interactions de particules. La mesure du T1/2 du processus peut fournir des informations inestimables sur l'échelle absolue de la masse des neutrinos, sur le type de spectre de masse des neutrinos et sur les phases de Majorana. La méthode de détection adoptée dans cette thèse est la technique bolométrique, qui s'intègre bien avec les caractéristiques requises des détecteurs pour étudier les événements rares. Le détecteur fournit une grande efficacité et une très bonne résolution en énergie et, grâce à un absorbeur scintillant, il permet la discrimination des particules pour la suppression du fond. Comme on peut bien comprendre, le contrôle du background est crucial pour mesurer ces désintégrations rares. La première partie de cette thèse se concentre sur la physique du neutrino et sur la désintégration 0νββ; en outre, les méthodes de détection expérimentales et la sensibilité de la demi-vie d'une expérience 0νββ sont traitées. Pour comprendre les progrès réalisés dans le développement de la technologie, le chapitre suivant est dédié à la physique des détecteurs: les composants d'un bolomètre, un modèle thermique simple, et la réponse d'un détecteur sont présentés. La deuxième partie de ce travail est dédiée au setup. Les détecteurs utilisés fonctionnent aux très basses températures (~10 mK), par conséquent, des machines thermique sophistiquées sont nécessaires; les principes de fonctionnement de ces systèmes cryogéniques sont présentés en se concentrant sur les détails de ceux qui ont été utilisés dans ce travail. Puisque l'activité expérimentale présentée dans cette thèse porte sur l'assemblage et sur les mesures du détecteur, aussi l'acquisition et l'analyse des données sont traités en détails. La dernière partie de la thèse est consacrée aux résultats, à commencer par les progress réalisés dans le détecteurs bolométriques de lumière: une description et optimisation du design des détecteurs de lumiére, l'effet du traitement antireet et l'amélioration de la réponse thermique obtenue avec l'effet Neganov-Luke sont présentés. Les résultats sur le développement des prototypes des détecteurs LUMINEU et les mesures sont résumés. Les processus de croissance et purification des cristaux ZnMoO4 sont aussi présentés. Sur la base de ces résultats nous avons calculé une sensibilité finale sur une expérience à venir basée sur ces détecteurs. Enfin, nous présentons un spin-off du projet LUMINEU qui consiste dans un prototype d'un bolomètre scintillant réalisé avec un absorbeur composé alternatif, Li2MoO4. Nous examinons les avantages et les désavantages par rapport au ZnMoO4. Ce manuscrit a comme but d'être un guide à une approche expérimentale pour la recherche de la double désintégration bêta sans émission de neutrinos, un manuel pour les opérations de bolomètres scintillants et un rapport sur l'expérience réussie du projet LUMINEU.