MACHe3 : prototype d'un détecteur bolométrique de matière sombre non-baryonique à base d'3He superfluide

MACHe3 : Prototype of a bolometric detector based on superflu id helium-3 for the search of non-baryonic dark Matter

• Auteur / Autrice : Clemens Winkelmann
• Direction : Yuriy Bunkov, Henri Godfrin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble, Isère, France ; 1971-2015)

Résumé

L'hélium-3-B superfluide à ultra-basses températures (100 microK) est un matériau sensible très prometteur pour la recherche par détection directe de Matière Sombre non-baryonique, notamment sous la forme du neutralino prédit par les extensions supersymétriques du modèle standard des particules. Nous décrivons et caractérisons un prototype de détecteur bolométrique à base d'hélium-3 superfluide, à 3 cellules adjacentes. La thermométrie du superfluide est effectuée par Fil Vibrant. La détection coi͏̈ncidente à travers plusieurs cellules a ainsi permis d'illustrer le pouvoir de rejection d'évènements ionisants par une grande matrice de cellules. L'implantation dans une cellule d'une source radioactive de Cobalt-57, émettant des rayons-gamma de 122 et 136 keV, ainsi que des électrons de basse énergie (7 et 14 keV) , met en évidence la grande transparence du matériau sensible aux rayons-gamma, ainsi que la possibilité de détecter des évènements au seuil du keV, ce qui représente la gamme d'énergies de recul attendue pour le neutralino. Une calibration bolométrique extensive du détecteur est décrite, en fonction de la température du superfluide et du niveau d'excitation du Fil Vibrant. La différence observée des dépôts d'énergie attendus dans le cas d'électrons de basse énergie et de muons cosmiques, avec les mesures bolométriques est interprétée en termes de scintillation ultra-violette de l'hélium-3.

Superfluid Helium-3-B at ultra-Iow temperatures (100 microK) is a promising target material for the search by direct detection of nonbaryonic Dark Matter, and namely of the neutralino predicted by supersymmetric extensions of the standard particle mode!. We describe and characterise a 3-cell prototype of a bolometric detector based on superfluid helium-3. Thermometry is achieved by Vibrating Wire Resonators. The coincident detection in more than one cell allowed therefore to demonstrate the rejection efficiency of ionising events by a large array of cells. The presence in one cell of a radioactive Cobalt-57 source, emitting gamma-rays of 136 and 122 keV as weil as low energy electrons (7 and 14 keV), iIIustrated the transparency of the target material to gamma-rays as weil as our ability to detect events on the keV level, which is the range where the neutralino signal is expected. An extensive description of the bolometric calibration of the detector is given, as a function of the superflu id temperature and the excitation level of the Vibrating Wire Resonator. The observed difference of the expected energy depositions in the case of the low energy electrons and cosmic muons with respect to our bolometric measurements is interpreted in terms of ultra-violet scintillation of the helium-3.