Projet Sphère

Le projet SPHERE: R2D2 & NEWS-G

L’objectif du projet SPHERE est de développer et d’exploiter le nouveau concept de Compteur Proportionnel Sphérique (SPC) pour la recherche d’interactions ultra-rares. Ce détecteur réuni nombre des caractéristiques essentielles à la recherche de matière noire (LDM) dans la région des très faibles masses (0,1-5 GeV), ainsi qu’à la recherche de la désintégration 2β0ν(Eβ~ MeV). Sa structure mécanique induit un budget matière minimal, assurant ainsi la radioactivité interne la plus restreinte possible. Doté d’une excellente résolution en énergie (1,1 %!F(MISSING)WHM à 5,3 MeV) et d’un très faible seuil de détection (< 20 eVee) permettant d’observer des électrons uniques, il offre aussi la possibilité unique d’exploiter différents gaz (légers ou lourds) et à différentes pressions (de 0,1 à 40 bar), ajoutant ainsi des redondances exceptionnelles pour vérifier toute preuve possible des signaux recherchés. En outre, ce détecteur monocanal est particulièrement adapté à l’utilisation intensive de technique de traitement de signal afin d’atteindre des performances ultimes de détection.Toutes ces potentialités ont conduit à débuter deux programmes expérimentaux auxquels SUBATECH s’est associé en 2017: R2D2 pour la recherche double-beta sans neutrinos (programme 2β0ν démarré en 2017 et impliquant 5 laboratoires français et 1 laboratoire UK); NEWS-G pour la recherche de WIMPS à très faible masse (collaboration internationale démarrée en 2015 et regroupant 13 laboratoires).Pour ces deux programmes, SUBATECH développe les algorithmes de traitement des signaux permettant d’atteindre les performances ultimes du détecteur (rapport signal à bruit, résolution en énergie, détection des électrons uniques, identification des traces multiples, trigger numérique). Les résultats obtenus ont déjà impacté très significativement les performances du détecteur.Ayant initialement exploité le prototype SEDINE (0,6 m de diamètre) installé au LSM, les premiers résultats de NEWS-G publiés en 2018 ont établi une nouvelle contrainte mondiale sur la section efficace de diffusion élastique WIMPS à 0.5 GeV. En 2019, une nouvelle sphère nommée SNOGLOBE (1,4 m de diamètre) mieux adaptée à la détection des très faibles reculs, a été construite en France puis testée au LSM. La publication des premiers résultats a débuté en 2020. Depuis 2020, ce détecteur est installé à SNOLAB. Les résultats obtenus en 2021-22 orienteront les stratégies futures de la collaboration.Concernant R2D2, le premier prototype (0,4 m de diamètre), dédié aux tests avec des gaz à très haute pression (33 l à 40 bar) a été construit en 2018 au CENBG. De 2019 à 2020, différentes optimisations du FEE (Front End Electronics) et de l’anode centrale ont été menées, permettant d’atteindre, avec une source 210Po et un gaz Ar-P2, une résolution de 1.1 %!F(MISSING)WHM sans correction. L’objectif de 2021 sera d’obtenir pour des traces β une résolution de 1%!F(MISSING)WHM à Qββ = 2.45 MeV en exploitant du xénon gazeux à haute pression. Si cette étape est franchie avec succès, l’enjeux de l’étape suivante sera de construire puis tester un démonstrateur « zero background » qui sera installé au LSM.

Photos des détecteurs SPC utilisés dans R2D2 (à droite) et NEWS-G (à gauche). Ils sont constitués d'une cavité sphérique mise à la masse contenant le gaz, dans laquelle une bille en acier inoxydable de 1 mm de rayon au centre est portée à une tension positive de l'ordre du kV.