Neutrino physics with SuperNEMO and SoLid experiments
Physique des neutrinos avec les expériences SuperNEMO et SoLid
Résumé
The Standard Model of particle physics describes elementary particles and their interactions with remarkable precision. Among these are neutrinos, leptons that exist in three flavors: electron, muon, and tau. Lacking an electric charge, neutrinos interact only through the weak interaction, making them very difficult to study. Certain properties of neutrinos, such as their extremely low mass or the possible indistinction between neutrinos and antineutrinos according to Majorana's theory, challenge the Standard Model. Flavor oscillations, where a neutrino changes type during its propagation, are also not fully explained by this model. It is also possible that a sterile neutrino, insensitive to all interactions described by the model, exists.
The research presented in this Habilitation à Diriger des Recherches first focuses on the Majorana nature of the neutrino, with the study of neutrinoless double beta decay. The SuperNEMO experiment analyzes the decays of the 82-Se isotope at the Modane Underground Laboratory. A tracking detector reconstructs the emitted electrons, and a segmented calorimeter measures their energies. We will present the characteristics of the SuperNEMO demonstrator, its construction, and the initial performances of its calorimeter.
Secondly, this habilitation addresses the search for a sterile neutrino at short range from a nuclear reactor, which could explain the observed anti-neutrino deficit compared to predictions. The SoLid experiment, conducted near the BR2 reactor in Mol, Belgium, seeks a signal of anti-neutrino oscillation. Thanks to its fine segmentation and hybrid use of scintillators, it actively mitigates background noise from atmospheric and natural radioactivity. We will present the motivations behind SoLid, its experimental principle, energy calibration, and its initial results.
Le Modèle Standard de la physique des particules décrit avec une précision remarquable les particules élémentaires et leurs interactions. Parmi celles-ci, on trouve les neutrinos, des leptons qui existent sous trois saveurs : électron, muon et tau. Ne possédant pas de charge électrique, les neutrinos n'interagissent qu'à travers l'interaction faible, ce qui les rend très difficiles à étudier. Certaines propriétés des neutrinos, comme leur faible masse ou la possible indistinction entre neutrinos et antineutrinos selon la théorie de Majorana, défient le Modèle Standard. Les oscillations de saveurs, où un neutrino change de type durant sa propagation, ne sont pas entièrement expliquées dans ce modèle. Il est aussi possible qu'un neutrino stérile, insensible à toutes les interactions du modèle, existe.
Les recherches présentées dans cette Habilitation à diriger des recherches concernent d'abord la nature Majorana du neutrino, avec l'étude de la double désintégration bêta sans émission de neutrinos. L'expérience SuperNEMO analyse les désintégrations de l'isotope 82-Se au Laboratoire Souterrain de Modane. Un détecteur de traces permet de reconstruire les électrons émis, et un calorimètre segmenté mesure leurs énergies. Nous présenterons les caractéristiques du démonstrateur SuperNEMO, sa construction et les premières performances de son calorimètre.
Deuxièmement, cette habilitation aborde la recherche du neutrino stérile à courte distance d'un réacteur nucléaire, pouvant expliquer le déficit d'anti-neutrinos observé par rapport au prédictions. L’expérience SoLid, menée près du réacteur BR2 à Mol, en Belgique, cherche un signal d'oscillation d'anti-neutrinos. Grâce à sa fine segmentation et à l'utilisation hybride de scintillateurs, elle lutte contre les bruits de fond atmosphériques et radioactifs. Nous présenterons les motivations de SoLid, son principe expérimental, la calibration en énergie et ses premiers résultats.
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