Development of new cryogenic low-threshold detectors for the search of light dark matter and low-energy neutrino physics
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-....) |
Laboratoire : Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon | |
Jury : | Président / Présidente : Dany Davesne |
Examinateurs / Examinatrices : Corinne Augier, Julien Billard, Stefanos Marnieros, Joseph Angelo Formaggio, Claudia Nones | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Stefanos Marnieros, Joseph Angelo Formaggio |
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