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Mesure précise de l’activation cosmogénique du germanium dans EDELWEISS

Faits marquants

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le 5 mai 2017 /

Les rayons cosmiques activent la matière en la traversant. Ainsi, un détecteur ultra-pur en atomes de germanium voit sa proportion en atomes radioactifs d’autres éléments augmenter avec le temps, ce qui correspond à une contamination.

Pour des détecteurs très précis comme ceux d’EDELWEISS, cette contamination peut induire un bruit de fond pour le signal recherché. La collaboration EDELWEISS a pu mesurer, avec une très grande précision, les taux de production des contaminants de type Hydrogène 3 (ou Tritium), Vanadium 49, Fer 55, Zinc 65 et Germanium 68 dans les cristaux de germanium naturel des détecteurs.L’expérience EDELWEISS est installée au Laboratoire Souterrain de Modane (LSM), protégée des rayons cosmiques par 1800 m de roche (l’équivalent de 4800 m d’eau). Elle est équipée de 24 bolomètres en germanium ultra pur pouvant mesurer de très petites quantités d’énergie (jusqu’à moins de 1 keV). Ces détecteurs sont placés dans un environnement bas bruit de fond radioactif afin de rechercher des événements rares comme ceux produits par les interactions créées par des particules de matière noire. Il est donc important de connaître l’ensemble des bruits de fond dans ces détecteurs, pour des énergies en dessous de 20 keV. Un de ces bruits de fond provient de la radioactivité résiduelle des détecteurs, et notamment de la désintégration bêta du tritium créé par activation cosmogénique.
Ce bruit de fond est commun à toutes les expériences utilisant des détecteurs en Germanium pour détecter des événements rares. Il était jusqu’à présent mal connu. L’excellente résolution en énergie des détecteurs d’EDELWEISS a permis de mesurer les bêtas du tritium, avec une précision inégalée à ce jour, ainsi que les autres contaminations dues à cette activation.
Les détecteurs sont produits dans l’industrie par croissance cristallographique, équipés en laboratoire, et sont ensuite transportés le plus rapidement possible au LSM afin de limiter cette activation cosmogénique grâce au site souterrain. En utilisant l’historique de chaque production et de chaque délai de livraison, il a été possible de mesurer très précisément les taux de production associés à chacun des 5 isotopes 3H, 49V, 55Fe, 65Zn et 68Ge, ce qui permettra de contraindre les modèles théoriques de production utilisés jusqu’à présent.

La figure représente le spectre en énergie mesuré par EDELWEISS où apparaissent les différents pics permettant d’identifier les noyaux produits par cosmogénie.

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