Étude du bruit de fond des expériences CUPID-Mo, CUPID, et CROSS de double désintégration bêta sans émission de neutrinos

La double désintégration bêta avec émission de neutrinos (2νββ) est un processus extrêmement rare observé pour quelques isotopes. À l'inverse la double désintégration bêta sans émission de neutrinos (0νββ) n'a jamais été observée et sortirait du cadre du Modèle Standard. Une telle observation impliquerait que le neutrino est une particule de Majorana et violerait la conservation du nombre leptonique. Les bolomètres scintillants sont des calorimètres à basse température qui permettent la recherche de la désintégration 0νββ grâce notamment à une excellente résolution énergétique et une grande efficacité de détection. Ceux-ci convertissent majoritairement l'énergie déposée par les particules en chaleur, qui est elle-même convertie en signal électrique. L'autre fraction de l'énergie est alors émise sous forme de scintillation. Une fois détectée, elle permet la discrimination entre particules β/γ et particules α. L'expérience CUPID-Mo a étudié 20 cristaux scintillants de Li₂MoO₄ pour l'étude de la double désintégration bêta du ¹⁰⁰Mo, et a pu fixer la meilleure limite sur la demi-vie de la 0νββ de ce noyau. Dans cette thèse, nous présentons le modèle de bruit de fond de CUPID-Mo construit à partir de simulations GEANT4. Nous avons alors pu déterminer l'indice de bruit de fond dans la région d'intérêt, B = 3.7 +0.9 -0.8 (stat) +1.5 -0.7 (syst) x 10⁻³ coups/ΔE(FWHM)/mol(iso)/an, qui est le plus bas bruit de fond obtenu pour une expérience bolométrique de 0νββ. Les excellents résultats de CUPID-Mo ont mené au choix de ces cristaux scintillants de Li₂MoO₄ pour la future expérience CUPID. Dans cette thèse, nous présentons également le bruit de fond projeté de CUPID, en partie obtenu à partir du modèle de bruit de fond de CUPID-Mo. Nous présentons également deux études sur les formes spectrales de la désintégration 2νββ du ¹⁰⁰Mo dans CUPID-Mo, et de la désintégration β du ¹¹³Cd dans le cadre du projet CROSS. L'étude de ces désintégrations est notamment nécessaire pour contraindre les modèles théoriques cherchant à décrire la désintégration 0νββ. Les mesures de la demi-vie et de la forme spectrale permettent notamment d'ajuster certains paramètres théoriques, comme la constante de couplage axial-vecteur effective. En ce qui concerne la 2νββ, nous avons pu être sensibles pour la première fois à certains paramètres de forme. Cette étude a été rendue possible grâce au modèle de bruit de fond de CUPID-Mo, nous avons alors pu obtenir la mesure la plus précise de la demi-vie de la désintégration 2νββ du ¹⁰⁰Mo, soit T₁/₂ = (7.07 ± 0.02 (stat.) ±0.11 (syst.) x 10¹⁸ an. Concernant la désintégration β du ¹¹³Cd, nos données sont compatibles avec une petite renormalisation de la constante de couplage axial vecteur dans le cadre des trois modèles nucléaires considérés.