The CROSS and CUPID experiments
CROSS est une expérience de désintégration double bêta financée par la Commission européenne dans le cadre d’une bourse ERC Advanced Grant (PI : Andrea Giuliani). La durée du projet est de 2018 à 2024. Après la fabrication et la mise en service du démonstrateur de CROSS en 2024 – une expérience pilote utilisant les méthodes de CROSS – la collecte de données se poursuivra pendant au moins deux ans au laboratoire souterrain de Canfranc en Espagne, afin d’obtenir de nouveaux résultats de physique sur la désintégration double bêta sans neutrino et d’autres processus rares.
La désintégration double bêta sans neutrino est un processus clé en physique des particules. Son étude expérimentale est la seule méthode viable qui peut établir la nature Majorana des neutrinos, fournissant en même temps un test sensible de la violation du nombre leptonique. CROSS (Cryogenic Rare-event Observatory with Surface Sensitivity) vise à développer et à tester une nouvelle technologie bolométrique à appliquer à de futures expériences à grande échelle recherchant la désintégration double bêta sans neutrino des noyaux prometteurs 100Mo et 130Te. Le facteur limitant dans les recherches bolométriques à grande échelle pour ce processus rare est le bruit de fond induit par la contamination radioactive de surface, comme le montrent les résultats de l’expérience CUORE. Le concept de base de CROSS consiste à rejeter cette composante de bruit de fond par discrimination de forme d’impulsion, assistée par un revêtement approprié des faces du cristal contenant l’isotope d’intérêt, servant d’absorbeur d’énergie pour le détecteur bolométrique. Des résultats exceptionnels ont été obtenus sur de petits cristaux de Li2MoO4 et de TeO2 (12 et 24 g respectivement), utilisés en prospect pour la recherche de la désintégration double bêta des isotopes très prometteurs 100Mo et 130Te. Ces résultats ont été obtenus à IJCLab-Orsay, dans l’installation cryogénique gérée par le groupe ASSD. Le transfert de cette technologie vers des cristaux de la taille finale pour CROSS (280 g pour Li2MoO4 et 550 g pour TeO2) est en cours.
Une autre technologie développée dans CROSS concerne les détecteurs de lumière. L’expérience utilise des bolomètres luminescents, détectant la lumière de scintillation dans Li2MoO4 et principalement la lumière Tchérenkov dans TeO2, en plus du signal bolométrique de chaleur (double lecture). Cette approche permet de rejeter le bruit de fond alpha grâce à des coupes de rendement lumineux. Dans CROSS, nous développons des détecteurs de lumière avancés basés sur l’effet Neganov-Trofimov-Luke qui peuvent amplifier d’un ordre de grandeur le rapport signal/bruit. Cette amélioration est essentielle pour rejeter le bruit de fond induit par la coïncidence aléatoire d’événements de la désintégration double bêta à deux neutrinos dans Li2MoO4 et pour détecter la faible luminescence de TeO2.
CROSS repose sur des détecteurs de particules à médiation de phonons composés de monocristaux en tant qu’absorbeurs d’énergie et fonctionnant à des températures de millikelvins. En général, ces dispositifs ne sont pas sensibles au point d’impact des particules, en particulier si la détection est médiée par des phonons thermiques. Dans une série d’expériences à petite échelle réalisées à IJCLab, nous avons démontré qu’une excellente discrimination entre les événements bêta et alpha internes et de surface peut être obtenue en recouvrant une face du cristal avec une couche métallique mince, continue ou sous forme de grille, selon la technologie de CROSS. Le revêtement affecte la cascade de conversion d’énergie des phonons qui suit l’interaction de la particule, conduisant à une forme de signal modifiée pour les événements proches du film. Une identification efficace des événements de surface a été démontrée avec des détecteurs basés sur un cristal de Li2MoO4 rectangulaire de 20×20×10 mm3 recouvert d’un film normal de Pd (10 nm d’épaisseur) et avec des bi-couches supraconductrices Al–Pd (100 nm-10 nm d’épaisseur) sur une face de 20×20 mm2. Les capacités de discrimination ont été testées avec des sources de 238U émettant à la fois des particules alpha et bêta. Les événements de surface sont identifiés pour des dépôts d’énergie jusqu’à des profondeurs de l’ordre du millimètre à partir de la surface recouverte. Avec cette technologie, une réduction substantielle du niveau de bruit de fond peut être obtenue dans les expériences recherchant la désintégration double bêta sans neutrino.
Des tests sont en cours pour obtenir la même capacité de discrimination sur de grands cristaux, avec des volumes de 45×45×45 mm3.
Identification des particules obtenue par un détecteur de Li2MoO4 de 12 g avec une couche de Pd de 10 nm d'épaisseur exposé à une source d'uranium. Les événements internes et de surface peuvent être séparés en utilisant un paramètre spécial qui décrit la forme de l'impulsion, défini comme m/Sm. Sur le graphique, m/Sm est tracé en fonction de l'énergie thermique (estimée par Sm) déposée dans le cristal de Li2MoO4, avec une calibration basée sur les rayons gamma. Les événements de surface, mis en évidence en rouge, apparaissent comme une population avec des valeurs m/Sm plus basses, tandis que ce paramètre est normalisé à 1 pour les événements internes. La source d'uranium a une composante α (238U et 234U) et une composante β (234mPa). Les deux donnent lieu à des événements de surface car la source est externe. Le détecteur est capable de séparer les événements de surface de la source des événements principalement internes du bruit de fond. La ligne de capture des neutrons de la réaction 6Li(n,t)α se situe, comme prévu, dans la bande des événements internes. Les particules α sont mal calibrées d'environ 20% en raison des effets reliés à la forme d'impulsion et des réponses intrinsèquement différentes pour les particules α et β/γ.
En plus du mécanisme de sensibilité à la surface, les détecteurs de CROSS seront équipés de bolomètres optiques pour détecter la lumière émise en coïncidence avec le signal de chaleur mesuré dans les cristaux. Ces détecteurs de lumière se composent de fines wafers de germanium équipées d’un thermistor en germanium en tant que capteurs de température, similaire à celui utilisé dans le cristal principal. La lumière collectée est détectée sous forme d’impulsion thermique dans le wafer.
La fonction principale de la double lecture chaleur-lumière est le rejet du bruit de fond alpha en exploitant le rendement lumineux inférieur des alphas par rapport aux bêtas/gammas pour la même énergie déposée. En plus de cela, le détecteur de lumière peut jouer un rôle crucial pour atténuer le bruit de fond induit par le pile-up, car le temps de montée du signal lumineux est environ dix fois plus court que celui du signal de chaleur. Pour que cette méthode soit efficace, le rapport signal/bruit doit être amélioré, ce qui peut être obtenu grâce à l’effet Neganov-Trofimov-Luke : un champ électrique est établi dans le wafer grâce à un ensemble d’électrodes déposées, et les charges libérées par le rayonnement incident dérivent sous l’action du champ produisant une chaleur supplémentaire, qui est détectée par le thermistor.
Des améliorations substantielles du rapport signal/bruit, généralement d’un ordre de grandeur ou plus, ont été obtenues par cette méthode.
Un détecteur de lumière amélioré par le mode Trofimov-Neganov-Luke. Le détecteur de lumière se compose d’un wafer de germanium pur, d'une surface de 45x45 mm et d'une épaisseur de 0,2 mm. Les électrodes carrées concentriques sont connectées par bonding ultrasonique selon un motif alterné, de manière à former deux ensembles équipotentiel. Une tension de 50 à 100 V, appliquée entre ces deux ensembles, apparaît donc à travers deux électrodes voisines. Les paires électron-trou libérées par un événement ionisant (comme un flash de lumière de scintillation) dérivent vers les électrodes et produisent une chaleur supplémentaire, mesurée sous forme d'augmentation de température par le capteur thermométrique, visible sur le bord gauche du wafer dans la partie supérieure.
Des prototypes de détecteurs sont développés et testés à Orsay. De grandes séries de ces dispositifs sont ensuite testées au laboratoire souterrain de Canfranc, où se trouve l’installation cryogénique de CROSS à faible bruit de fond.
Les détecteurs sont disposés en tours qui accueillent à la fois les cristaux principaux et les détecteurs de lumière. Les performances et les niveaux de bruit de fond sont testés lors de campagnes de mesure de plusieurs mois.
Le démonstrateur CROSS sera assemblé et exploité en 2024. Selon le schéma provisoire actuel, il sera composé de 32 cristaux de Li2MoO4 enrichis en 100Mo, de 4 cristaux de Li2MoO4 avec une composition isotopique naturelle et de 6 cristaux de TeO2 enrichis en 130Te, pour un total de 42 cristaux.
Tous les cristaux auront une taille de 45×45×45 mm3 et seront couplés à des détecteurs de lumière carrés de 45×45 mm2. Les détecteurs de lumière seront tous exploités en mode Neganov-Trofimov-Luke. Autant de cristaux que possible utiliseront les méthodes de rejet d’événements de surface développées dans l’activité de R&D de CROSS.
Les 42 cristaux seront disposés en 3 tours de 14 cristaux chacune (chaque tour comprendra 7 étages avec 2 détecteurs par étage). En considérant la section molybdène du démonstrateur, la masse totale de 100Mo sera de 4,7 kg. Il est possible qu’une masse supplémentaire de 2 kg soit fournie en installant également les détecteurs de l’expérience CUPID-Mo, actuellement arrêtée.
La section Mo du démonstrateur CROSS ne sera pas seulement un validateur technologique, mais aussi une expérience très sensible de désintégration double bêta sans neutrino.
Un opérateur CROSS vérifie les contacts électriques sur une tour de 14 détecteurs CROSS, identiques à l'une des trois qui composeront le démonstrateur CROSS. La tour vient d'être assemblée dans la salle blanche du groupe ASSD dans le bâtiment 104. Les deux détecteurs supérieurs sont basés sur des cristaux de TeO2, enrichis à 90% dans l’isotope double bêta 130Te. Les détecteurs restants sont basés sur des cristaux de Li2MoO4, enrichis à 95% dans l’isotope double bêta 100Mo. Les détecteurs de lumière sont visibles sous forme de fines couches sombres intercalées avec les cristaux. Les électrodes de Neganov-Trofimov-Luke sont cachées car elles font face aux cristaux.
Les détecteurs de CROSS serviront également de banc d’essai pour CUPID, une expérience de désintégration double bêta de nouvelle génération basée sur Li2MoO4.
La structure mécanique du détecteur, l’électronique de lecture, l’étude de la radioactivité intrinsèque des cristaux de Li2MoO4, les performances des bolomètres et l’optimisation des détecteurs de lumière Neganov-Trofimov-Luke sont tous des éléments d’un grand intérêt pour CUPID. L’installation CROSS à Canfranc est également une installation de test pour CUPID.
La collaboration CROSS est dirigée par l’équipe ASSD et l’équipe de détecteurs cryogéniques d’IJCLab.
D’autres laboratoires participant à CROSS sont :
- CEA-IRFU-Saclay (France)
- LSC-Canfranc (Spain)
- INR-Kjiv (Ukraine)
- INFN-Milano Bicocca/Rome La Sapienza/Gran Sasso (Italy)
- ITEP-Moscow (Russia)
- NIIC Novosibirsk (Russia)
- University of Zaragoza (Spain)
- University of South Carolina (USA)
La direction de l’expérience CROSS condamne l’invasion militaire de l’Ukraine par la Fédération de Russie et déplore la perte tragique de vies humaines et l’impact humanitaire de la guerre.
L’Ukraine est membre de CROSS, et les scientifiques ukrainiens sont des membres précieux et actifs de la collaboration. CROSS continuera de défendre la valeur de la collaboration scientifique au-delà des frontières, y compris notre collaboration avec les scientifiques de la Fédération de Russie, en tant que moteur de paix et pour le bénéfice de toute l’humanité.
La direction de CROSS partage les sentiments exprimés par la Société française de physique, l’American Physical Society et l’INFN (Italie) en réponse à la guerre en Ukraine.
Société française de physique : https://www.sfpnet.fr/positionnement-de-la-sfp-contre-la-guerre-en-ukraine
Réponse de l’APS à l’invasion russe en Ukraine : https://aps.org/about/governance/letters/ukraine.cfm#condemn
Déclaration de l’INFN sur l’Ukraine : https://home.infn.it/en/press-releases/press-release-2021/4725-per-l-ucraina-2