Development of new cryogenic low-threshold detectors for the search of light dark matter and low-energy neutrino physics

Développements de nouveaux détecteurs cryogéniques bas seuils pour la recherche de matière noire légère et la physique des neutrinos de basse énergie

• Auteur / Autrice : Dimitri Misiak
• Direction : Corinne Augier, Julien Billard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des Astroparticules
• Date : Soutenance le 12/02/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon
• Jury : Président / Présidente : Dany Davesne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Corinne Augier, Julien Billard, Stefanos Marnieros, Joseph Angelo Formaggio, Claudia Nones
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stefanos Marnieros, Joseph Angelo Formaggio

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cryotechnique

Appareils et instruments scientifiques

Cryostats

Neutrinos -- Interactions

Mots clés libres

Neutrinos

Modélisation thermique

Modélisation électrostatique

Analyse de données

Instrumentation bas bruit

Cryostat à dilution

RICOCHET

Détecteur cryogénique

Neutrinos

Thermal modelization

Electrostatic modelization

Data analysis

Low-noise instrumentation

Dilution refridgerator

RICOCHET

Cryogenic detectors

Résumé

La diffusion élastique cohérente neutrino-noyau (CENNS) est un processus prédit il y a près de 40 ans. En août 2017, l'expérience COHERENT a rapporté la première détection à l’échelle du keV au niveau 6,7 sigma, de ce processus qui est une sonde pour la nouvelle physique à basse énergie, ouvrant une fenêtre sur une myriade de nouvelles possibilités en matière de physique. L'expérience RICOCHET vise à mesurer avec une grande précision le processus CENNS afin de sonder divers scénarios de physique exotique dans le secteur électrofaible. En utilisant des bolomètres cryogéniques installés dans un cryostat à 8 mètres du cœur du réacteur nucléaire de recherche de l'ILL, l’expérience bénéficiera d'un flux intense de neutrinos, permettant de reproduire les résultats de COHERENT en une semaine. L'objectif de mesure précise sera atteint après un an de collecte de données, d’ici 2024. Le CRYOCUBE est un ensemble compact cubique de détecteurs cryogéniques présentant les spécifications suivantes : un seuil en énergie très faible de O(10) eV sur le signal thermique, un rejet du fond électromagnétique d'au moins 10^3 et une masse totale de la cible de 1 kg répartie entre 27 cristaux de germanium d'environ 30 g chacun. L'objectif de cette thèse est de proposer une conception optimisée des détecteurs pour le CRYOCUBE, inspirée des détecteurs cryogéniques en germanium équipés de lecture de charge et de températures de l'expérience de détection directe de matière noire EDELWEISS. Ce programme conjoint de R&D est basé sur la discrimination d'événements réalisée dans des cristaux de germanium semi-conducteurs. L'énergie de recul d'une particule incidente est dérivée soit de l'augmentation de la température du cristal mesurée par une thermistance GeNTD (voie chaleur), soit des charges électriques excitées collectées par des électrodes à sa surface (voie ionisation). Cette double mesure d'énergie permet de distinguer les reculs nucléaires produits par le CENNS ou la matière noire, du fond radioactif électronique. Ces reculs étant de l’ordre de O(100) eV, ce travail de thèse est axé sur le développement d'une nouvelle génération de détecteurs cryogéniques au germanium à faible seuil avec identification des particules. Il explore comment améliorer la résolution en énergie chaleur et ionisation jusqu'à O(10) eV tout en conservant un bon rejet des événements de fond. Cette étude est basée sur l'essai de prototypes de détecteurs dans le cryostat IP2I, qui sont comparés aux prévisions théoriques issues de la modélisation électro-thermique et électrostatique des détecteurs. Ce manuscrit commence par la définition du processus CENNS, son importance scientifique et les objectifs de l'expérience RICOCHET. Il présente ensuite l'installation cryogénique permettant le fonctionnement en surface des détecteurs à 20 mK dans des conditions optimales. Un modèle électro-thermique des bolomètres, comparé à des données expérimentales, est développé et appliqué à la simulation du bruit associé à l’électronique du signal chaleur. La thèse formalise ensuite la génération des signaux d'ionisation résultant de la dérive, sous l'influence du champ électrique exercé, de porteurs de charge excités dans le cristal de germanium. La résolution attendue d’une future électronique bas-bruit est modélisée à partir de deux designs de détecteurs. Ils sont optimisés par leur simulation électrostatique dans un logiciel de calculs aux éléments finis. Une comparaison des performances théoriques et expérimentales de l'ionisation est effectuée sur la base des prototypes de détecteurs RED80 et REDN1. Ces travaux se terminent par la caractérisation du bruit de fond radioactif dans le laboratoire cryogénique avec l’analyse des données de RED80, et notamment sa composante neutronique, utilisée pour estimer le fond attendu sur le site ILL pour RICOCHET

The Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CENNS) is a process predicted nearly 40 years ago. In August 2017, the COHERENT experiment reported the first keV-scale detection at the 6.7 sigma level of this process, which is a probe for the new low energy physics, opening a window on a myriad of new physics opportunities. The RICOCHET experiment aims at measuring with high accuracy the CENNS process in order to probe various exotic physics scenarios in the electroweak sector. Using cryogenic bolometers operated in a cryostat 8 meters away from the core of the ILL research nuclear reactor, the experiment will benefit from an intense neutrino flux, allowing the results of COHERENT to be reproduced in a single week. The objective of an accurate measurement will be achieved after one year of data collection, by 2024. The CRYOCUBE is a compact cubic array of cryogenic detectors with the following specifications: a very low energy threshold of O(10) eV on the thermal signal, an electromagnetic background rejection of at least 10^3 and a total target mass of 1 kg distributed among 27 germanium crystals of about 30 g each. The objective of this thesis is to propose an optimized detector design for the CRYOCUBE, inspired by the cryogenic germanium detectors equipped with charge and temperature readings of the direct dark matter search experiment EDELWEISS. This joint R&D program is based on event discrimination realized in germanium semiconductor crystals. The recoil energy of an incident particle is derived either from the increase of the crystal temperature measured by a GeNTD thermistor (heat channel) or from the excited electric charges collected by electrodes on its surface (ionization channel). This double energy measurement makes it possible to distinguish the nuclear recoils produced by the CENNS or the dark matter from the electronic radioactive background. As these recoils are of the order of O(100) eV, this thesis work is focused on the development of a new generation of cryogenic low threshold germanium detectors with particle identification. It explores how to improve the resolution in heat and ionization energy up to O(10) eV while maintaining a good rejection of background events. This study is based on the testing of prototype detectors in the IP2I cryostat, which are compared to theoretical predictions from electro-thermal and electrostatic modeling of the detectors. This manuscript begins with the definition of the CENNS process, its scientific importance and the objectives of the RICOCHET experiment. It then presents the cryogenic installation allowing the surface operation of the detectors at 20 mK in optimal conditions. An electro-thermal model of the bolometers, compared with experimental data, is developed and applied to the simulation of the noise associated with the electronics of the heat signal. The thesis then formalizes the generation of the ionization signals arising from excited charge carriers drifting in the germanium crystal under the influence of the applied electric field. The expected resolution from a future low-noise electronics is modeled based on two detector designs. They are optimized by their electrostatic simulation in a finite element calculation software. A comparison of the theoretical and experimental performance of ionization is performed on the basis of the RED80 and REDN1 prototype detectors. This work ends with the characterization of the radioactive background in the cryogenic laboratory with the analysis of the data from RED80, and in particular its neutron component, used to estimate the expected background at the ILL site for RICOCHET