Antoine Armatol

We present the design, fabrication, and characterization of an aluminum-based six-channel microwave SQUID multiplexer ( μ MUX) prototype for transition-edge sensor readout in the Ricochet experiment. The device consists of aluminum coplanar-waveguide resonators and RF superconducting quantum interference devices with Dolan-style Al/AlO x /Al Josephson junctions. By measuring the resonator scattering parameters at a range of probe tone frequencies, powers, and flux bias points, we demonstrate agreement between the device response and existing multiplexer models. We also characterize the noise performance in both open-loop and flux-ramping modes. With a high electron mobility transistor (HEMT) amplifier, open-loop measurements yield a flux sensitivity of 1–1.5 μ Φ 0 / Hz . With flux-ramp modulation, low-frequency 1 / f noise is suppressed, and the flux sensitivity is around 3–4 μ Φ 0 / Hz , corresponding to a current sensitivity of 24–33 pA / Hz at the input coil. We further demonstrate a reduction in readout noise by incorporating a Josephson traveling-wave parametric amplifier between the μ MUX and the HEMT. This achieves an open-loop flux sensitivity of 0.3–0.6 μ Φ 0 / Hz and an effective system noise temperature below 1K. These results establish aluminum μ MUX devices as a viable and extensible readout technology for low-noise cryogenic detector arrays.

Méthodes innovantes pour le rejet du bruit de fond dans les expériences bolométriques de recherche de la désintégration double bêta sans émission de neutrino de prochaine génération: La recherche de la désintégration double bêta sans émission de neutrino (0ν2β) est un enjeu majeur de la physique contemporaine car son observation démontrerait que le neutrino est une particule de Majorana. La demi-vie du processus étant reliée à la masse effective de Majorana mββ, cela fournirait aussi une mesure de l'échelle de masse du neutrino et une information sur la hiérarchie de masse. L'expérience de prochaine génération CUPID vise à atteindre une sensibilité suffisamment grande pour explorer complètement l'espace des valeurs pour mββ dans le cas de la hiérarchie inversée de masse. Elle utilisera pour cela des bolomètres scintillants constitués d'un cristal de Li₂MoO₄ (LMO), contenant du ¹⁰⁰Mo comme isotope candidat à la 2β, couplé à un détecteur de lumière bolométrique en Ge. Grâce à la méthode de double mesure lumière/chaleur, CUPID va pouvoir rejeter le bruit de fond dû aux particules α qui est la principale source limitant la sensibilité de CUORE, sa prédécesseur, et vise à obtenir un bruit de fond de 10⁻⁴ coups/kg/keV/an (ckky) dans sa région d'intérêt (ROI). Si après CUPID la 0ν2β nous échappe toujours, il faudra pousser la réduction du bruit de fond à un niveau encore meilleur pour maintenant explorer le spectre des valeurs pour mββ possibles seulement dans le cas de la hiérarchie normale de masse. C'est dans ce contexte que s'inscrivent BINGO (Bi-Isotope 0ν2β Next Generation Observatory) et les travaux de cette thèse. Ce projet vise à tester des méthodes innovantes pour atteindre un bruit de fond de 10⁻⁵ ckky dans la ROI du ¹⁰⁰Mo mais aussi du ¹³⁰Te respectivement dans des cristaux de LMO et de TeO₂. Tout d'abord, un assemblage innovant des bolomètres réduisant la quantité de matériel passif autour des détecteurs a été développé et validé. Deuxièmement, une R&D sur l'implémentation d'un veto cryogénique actif composé de scintillateurs autour du volume contenant les bolomètres a été faite pour rejeter les événements γ provenant de l'extérieur par coïncidence. Une étude des potentiels candidats a mené à la sélection du BGO pour le matériel composant le scintillateur. Un test cryogénique d'un module prototype du veto contenant deux BGO est aussi reporté dans cette thèse. D'autres mesures relatives à la collection de lumière ont aussi été réalisées à température ambiante. Finalement, pour utiliser les cristaux de TeO₂ comme bolomètres scintillant, il est nécessaire de booster les performances des détecteurs de lumière. Pour cela, BINGO va utiliser des détecteurs utilisant l'effet de Neganov-Trofimov-Luke (NTL) pour amplifier le signal. Une campagne de R&D a été réalisée pour tester une nouvelle méthode de déposition des électrodes d'aluminium ainsi que différentes géométries pour celles-ci.

The experiment aims to measure the coherent elastic neutrino-nucleus scattering process from antineutrinos emitted by a research nuclear reactor operated by the Institut Laue-Langevin (Grenoble, France). This article presents a description of the experimental installation and the detector performance achieved during its commissioning with a mini-CryoCube module consisting of three 42-g germanium cryogenic calorimeters. The baseline resolutions and background levels are reported both during reactor-on and reactor-off periods and as noise mitigation techniques were improved. A baseline resolution of 40 eV electron equivalent was achieved for the ionization channel after setup improvements, and the phonon channel resolutions ranged from 50 to 80 eV of total phonon energy. In the energy region from 2 to 7 keV, a nuclear recoil rate of 14 ( 3 ) events / ( kg day keV ) is measured during the reactor-off period selecting events in coincidence with muon veto signals. This rate is in agreement with the cosmogenic neutron rate calculated from GEANT4 simulations. After the rejection of events in coincidence with signals in the muon veto detectors, a combined 90% confidence level limit on the nuclear recoil background of < 9 events / ( kg day keV ) is obtained in that energy region during the reactor-on period, which is compatible with our GEANT4 model calculation corresponding to a total rate of 5 events / ( kg day keV ) . The sensitivity of this analysis was however found to be limited by a surface event contamination which is currently being addressed by the Collaboration with upgraded detectors.