Analyse de données de l'expérience XENON1T : Calibration des reculs électroniques pour des énergies comprises entre quelques keV et 3 MeV

Data analysis of the XENON1T experiment : Calibration of electronics recoils in the keV to MeV range

• Auteur / Autrice : Chloé Therreau
• Direction : Dominique Thers
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique Subatomique et Instrumentation Nucléaire
• Date : Soutenance le 02/07/2020
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique Subatomique et des Technologies Associées (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Gousset
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Thers, Corinne Augier, Damien Neyret, Barbara Erazmus, Andrea Giuliani, Luca Scotto Lavina, Julien Masbou
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Corinne Augier, Damien Neyret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Astrophysique des neutrinos

Xénon -- Isotopes

Désintégration bêta

Matière noire (astronomie)

Mots clés libres

Matière noire

Décroissance double ß sans émission de neutrinos

Xénon liquide

XENON1T

Dark matter

Neutrionless double ß decay

Liquid xenon

XENON1T

Résumé

Durant le siècle dernier, de nombreuses observations astrophysiques et cosmologiques ont montré la présence de matière noire dans l’Univers. Cette matière noire, non-lumineuse et interagissant peu avec la matière ordinaire, représente 80% de la masse de l’Univers et pourrait être composée de particules massives appelées WIMP. XENON1T est une expérience de détection directe de matière noire, utilisant une chambre à projection temporelle remplie de xénon liquide. Fonctionnant dans un environnement dit de bas bruit de fond, XENON1T fut conçu pour détecter le signal produit par la collision élastique des WIMP avec un noyau cible de xénon. Ce signal rare et de faible énergie nécessite des expériences dont la réponse est parfaitement connue et ce pour de longues périodes de prises de données. Des calibrations régulières utilisant une source interne de Kr-83m ont donc été mises en place et permettent de s’assurer de la stabilité du détecteur. Grâce son environnement de très bas bruit de fond, XENON1T permet également l’étude d’autres processus rares. En particulier, la recherche de décroissance double ß sans émission de neutrinos est une perspective possible grâce à la présence naturelle du Xe-136, un émetteur double ß-. La détection d’une telle décroissance pourrait permettre de déterminer la nature des neutrinos. Le signal recherché est un recul électronique dont l’énergie est grande par rapport à l’énergie attendue pour la recherche de matière noire. Une analyse dédiée a donc été mise en place afin de reconstruire ces évènements de hautes énergies. Cette analyse a permis d’atteindre la meilleure résolution en énergie, dans la région d’intérêt pour la recherche de décroissance double ß sans émission de neutrinos, pour des expériences utilisant du xénon liquide comme cible.

In the last century, several astrophysical observations have provided strong evidence of the existence of dark matter in the Universe. This dark matter, non-luminous and weakly interactive with ordinary matter, is responsible for 80% of the Universe’s mass and could be composed of massive particles called WIMPs. XENON1T is a direct dark matter experiment. It consists of a dual-phase time projection chamber filled with liquid xenon and is operating in an ultra-low background environment. XENON1T was designed to detect the elastic WIMP-xenon nucleus scattering. The rare and low energy signals produced by such interaction ask for a well-known response of the detector and for a long period of data taking. Regular calibration, using an internal source of Kr-83m, were thus carried out to monitor the detector stability. Thanks to the ultra-low background environment, XENON1T allows studying other rare processes. Among them, the search for neutrinoless double ß decay, meant to probe the nature of neutrinos, is a possible perspective thanks to the natural presence of the Xe-136, a double ß decay isotope. The signal expected is an electronic recoil at higher energy with respect to dark matter searches. A dedicated analysis was carried out in order to reconstruct high energy events, allowing to reach the best energy resolution obtained in an experiment using liquid xenon in the region of interest for neutrinoless double ß decay.