LUMINEU — Expérience souterraine avec détecteurs luminescents de molybdate de zinc pour l’étude de la masse et la nature des neutrinos

La Désintégration Double Beta sans émission de neutrino (0v-DBD) est un thème central pour l’étude des particules élémentaires et des interactions fondamentales. Sa mise en évidence aurait un impact fort sur les modèles cosmologiques. Suite à la découverte de l’oscillation des neutrinos, des questions comme l’échelle absolue et la hiérarchie des masses des neutrinos restent de premier ordre ; c’est également le cas de la détermination de leur nature : fermions de Dirac ou de Majorana ? Le but du projet LUMINEU est d’être en mesure de définir un détecteur optimum pour une expérience 0v-DBD de nouvelle génération, capable d’atteindre des sensibilités jamais envisagées. Pour l’atteindre, LUMINEU propose de réduire le fond résiduel dû à l’interaction des particules alphas grâce au développement de bolomètres à mesure simultanée de la lumière et de la chaleur générées par un événement nucléaire. Si les bolomètres scintillants contiennent un candidat de 0v-DBD (détecteur = source) dont la transition est supérieure à l’énergie maximale des gammas émis naturellement (2,6MeV) et l’efficacité de rejet des particules alphas est proche de 100%, cela permettrait d’obtenir une expérience potentiellement sans fond pour une durée d’exposition nécessaire pour scruter la région de hiérarchie inverse des masses des neutrinos. LUMINEU mettra donc en œuvre des cristaux scintillants de la plus grande dimension possible de ZnMoO4, enrichis en 100Mo. Cet isotope est un excellent candidat du fait de son Q-value autour de 3 MeV. Les cristaux seront tirés selon une technique avancée garantissant des qualités excellentes, une pureté extrême et une perte négligeable de matière première. Des masses de cristaux de 400g sont envisagées pour la brique élémentaire. Le pouvoir de rejet des particules alphas est fortement corrélé à la qualité de la mesure de la lumière. Un effort particulier sera porté sur l’optimisation de cette dernière en termes d’efficacité de collection, de seuil en énergie, de taille de détecteur, de reproductibilité et de temps de réponse. La réduction de ce temps permettra de rejeter le fond ultime que pourrait constituer l’empilement d’événements de Désintégration Double Beta avec émission de deux neutrinos, qui est particulièrement gênant dans le cas du 100Mo. C’est pourquoi, en plus des senseurs thermiques semi-conducteurs classiques (NTD) produits par transmutation, de nouveaux senseurs seront étudiés : films supraconducteurs de haute impédance et thermomètres métalliques paramagnétiques. Le fait de coupler ces senseurs à des bolomètres massifs tout en conservant leurs performances nominales constituerait en soi un saut technologique. L’impact que ce résultat aurait sur la physique des astroparticules dépasse le cadre de la 0v-DBD. Les activités prévues au sein du projet LUMINEU pour améliorer les performances des détecteurs lumière devraient ainsi conduire à des retombées importantes dans le domaine de la détection directe de la Matière Noire au sein des projets Edelweiss-3 et Eureca. En effet, l’amélioration des performances des senseurs et couplages thermiques conduira à de meilleurs seuils et sensibilités en énergie sur les voies chaleur et à une amélioration de la sensibilité de détection des WIMPs en particulier de basse masse. LUMINEU va bénéficier de la convergence des contributions des deux communautés ; rétrospectivement les développements de LUMINEU bénéficieront aux deux domaines de recherche. Les résultats sur les cristaux scintillant et sur les détecteurs de lumière permettront une expérience pilote de 0v-DBD, effectuée en site souterrain, contenant une quantité considérable de molybdène enrichi (environ 1 kg). Après l’aboutissement du projet LUMINEU, la réalisation d’une expérience de grande taille pour atteindre la région des neutrinos de masse effective de 20 meV ne sera qu’une question de volonté politique et de fond disponible.