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Developments for double-beta-decay techniques, related to the EXO experiment
Micromegas time projection chamber development for rare event detection
Depuis les chambres à fils "MWPC" de G. Charpak en 1968, des développements nouveaux pour les détecteurs gazeux ont été récemment proposées. Les "GEM" (Gas Electron multiplier), les "LEM" (Large Electron Multiplier) ou "Micromegas" (Micro mesh gaseous structure) ..., sont les exemples les plus connus. Le but initial de cette génération est d'avoir des bonnes résolutions, un bas bruit de fond, une réponse rapide avec une efficacité élevée de détecteur et une bonne sensibilité dans le domaine qui nous intéresse (le domaine de la radioactivité naturelle). L'objectif essentiel de ce manuscrit est de décrire le développement d'une chambre à projection temporelle (TPC) avec un plan de détection de type Micromegas, nommé Micromegas-TPC. Deux TPC's existantes ont été utilisées: • Un petit prototype, nommé la miniTPC de Neuchâtel, a été consacré pour étudier les propriétés de transport dans le gaz et de développer le plan de lecture basé sur le micropattern Micromegas. • Un prototype intermédiaire, nommé la TPC du Gothard, a été utilisé pour opérer le plan de détection de type Micromegas à grande échelle et estimer le bruit de fond de ce détecteur. Cette TPC a été optimisée pour fixer des paramètres importants pour la détection des événements rares, spécialement pour la désintégration double bêta sans émission de neutrinos dans l'isotope 136Xe. Ce manuscrit dispose de deux parties: les quatre premiers chapitres présentent quelques connaissances fondamentales, nécessaires pour la détection des événements rares avec les détecteurs gazeux. En particulier, les chapitres trois et quatre décrivent quelques résultats nécessaires pour l'étude de la collection de la charge. La deuxième partie du manuscrit décrit les résultats obtenus par la miniTPC de Neuchâtel et la TPC du Gothard. Une courte description des propriétés de neutrino et les points manquants dans le modèle standard (MS) en ce qui concerne ces particules, ainsi que plusieurs efforts expérimentaux effectués pour compléter le MS, sont donnés dans l'introduction. Le chapitre un, présente la désintégration double bêta dans l'isotope 136Xe et explique ce dont on a besoin pour détecter ce phénomène rare. Le Chapitre deux, contient quelques connaissances fondamentales pour la chambre à projection temporelle. En particulier, l'interaction entre la particule incidente et la matière contenue dans le détecteur. Quelques propriétés de détecteur et des facteurs importants, telle que la résolution en énergie et le gain du gaz, sont aussi définis. Le chapitre trois, explique les mesures de l'ionisation. Les détails techniques et les procédures pour obtenir les résultats de début à la fin, sont également mentionnés dans ce chapitre. Le chapitre quatre, contient des résultats obtenus des calculs des champs électriques dans la TPC et des propriétés de transport des électrons dans le gaz, avec des programmes Monte Carlo différents. Nous distinguons le comportement des porteurs de charges, spécialement, la vitesse de dérive et les diffusions des électrons dans un mélange de gaz. La deuxième partie de ce manuscrit, qui comporte mes propres résultats, est subdivisée en deux derniers chapitres et ils correspondent aux résultats de deux articles futurs: Le chapitre cinq, intitulé "les résultats de la miniTPC de Neuchâtel", étudiait les développements d'un nouveau plan de détection Micromegas. Ici, nous présentons des gains élevés avec une bonne uniformité dans des mélanges de gaz différents, mais aussi les propriétés de transport des électrons et le choix du mélange de gaz convenable pour la détection des événements rares. Un mélange de gaz intéressant "Xe(98)CF4(2)", particulièrement convenable pour la désintégration double beta sans émission de neutrinos dans le 136Xe, est aussi étudié. Le chapitre six, intitulé "les résultats de la TPC du Gothard", présente la performance d'un grand plan de détection Micromegas (50 cm de diamètre) dans différents mélanges de gaz, en allant du gaz le plus rapide "CF4" au gaz le moins cher "P10" (Ar(90)CH4(10)). Le bruit radioactif atteint dans cette TPC et les matériaux pertinents contribuant à l'augmentation de ce dernier sont aussi présentés. Finalement, des conclusions de nos résultats sont données, les projets possibles et les développements suggérés sont présentés. Dans ce contexte, des efforts particuliers peuvent être adressé pour construire un prototype, qui peut étudier les signaux d'ionisation et de scintillation, pour améliorer la résolution en énergie. De plus, des efforts pour lire les signaux de l'anode et de la scintillation primaire sont aussi extrêmement importants dans le but de déterminer exactement le temps "t0" de la dérive des électrons primaires.
Experimental study of neutrino-electron scattering at low energy with the Munu experiment
This thesis is based on the experimental study of electron antineutrino - electron (v_e - e) elastic scattering at low energy with the MUNU experiment. The aim of this experiment is to study in particular the magnetic moment of the neutrino. The MUNU experiment uses a nuclear reactor as a neutrino source. The neutrinos are detected by using a gas Time Projection Chamber (TPC). The electrons of the TPC filling gas (CF4) are the target for .e e Ë scattering. In each interaction the direction of the recoiling electron can be reconstructed together with its energy. The incoming neutrino energy is reconstructed by using the recoil energy of electrons together with its scattering angle. The background is isotropic, while the signal is only in the forward neutrino direction. In this work is presented analysis of data recorded by the MUNU detector at two different gas pressures: 1-bar and 3-bar. The energy resolution of the detector at 1-bar is found to be about a factor of two better than the measured at 3-bar. The neutrino candidates, selected with the help of a visual scanning procedure undergo two different analyses Forward-Backward and Forward-Normalized Background. At 1-bar pressure we show, for the first time, a measurement of the neutrino cross section down to 400 keV, i.e. electron recoil energy down to 200 keV. For operation of 3-bar and above 900 keV the measured electron recoil spectrum is compared with the predicted one from the weak interactions. The measured limit of magnetic moment of electron antineutrino: Ê