Recherche de matière noire légère avec les expériences DAMIC à SNOLAB et DAMIC-M : investigations de bruit de fonds radioactifs et sur les caméras CCD Skipper en silicium

Searching for Light Dark Matter with DAMIC at SNOLAB and DAMIC-M : Investigations into Radioactive Backgrounds and Silicon Charge-Coupled Devices

• Auteur / Autrice : Ariel Matalon
• Direction : Antoine Letessier-Selvon, Paolo Privitera
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/09/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec University of Chicago
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Physique nucléaire et hautes énergies (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Balland
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abigail Vieregg
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lucia Di Ciaccio, Ranny Budnik

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radioactivité -- Instruments

Capteurs CCD

Matière noire (astronomie)

Mots clés libres

Matière noire

Détection directe

CCD

Skipper

Radioactivité

DAMIC

Dark Matter Direct Detection

CCDs

Skipper CCDs

Radioactivity

Résumé

Le programme DAMIC (Dark Matter in CCDs) utilise le silicium massif des CCDs scientifiques pour chercher des signaux d’ionisation produits par les interactions de matière noire, dont la nature est encore inconnue. En raison des faibles bruit et courant de fuite, de la petite dimension des pixels CCD et de la masse du noyau de silicium, DAMIC est sensible aux signaux d’ionisation des noyaux ou des électrons en recul à la suite de la diffusion de particules de matière noire WIMPs ou du secteur caché. Le thème de ma thèse est de faire avancer la recherche de matière noire en étudiant les fonds radioactifs qui en limitent la sensibilité et en améliorant la résolution des CCDs à l’aide de la technologie Skipper. Je présente une technique pour rejeter ces fonds dans le détecteur DAMIC à SNOLAB en identifiant les séquences de désintégration spatialement corrélées. Je discute d’une mesure expérimentale de l’activation cosmogénique du silicium obtenue via l’irradiation des CCDs. Je décris la construction d’un modèle de fond radioactif pour un détecteur de matière noire CCD, qui a révélé l’existence d’une région de collecte de charges partielle. Je propose des étapes optimales pour la fabrication et la manipulation des matériaux des futurs détecteurs. Enfin, je décris les résultats du déploiement de nouveaux CCDs Skipper qui ont une résolution sub-électron grâce à des mesures multiples et non-destructives de la charge des pixels. DAMIC-M, une expérience de CCDs Skipper et d’ordre d’un kg, est en cours de développement. Je décris la construction de bancs de test pour caractériser les performances des CCDs de DAMIC-M, pour lesquels une résolution de 0,07 e- a déjà été démontrée.

The DAMIC (Dark Matter in CCDs) program employs the bulk silicon of scientific CCDs to search for ionization signals produced by interactions of particle dark matter, the nature of which is still unknown. By virtue of the low noise, low leakage current, and small pixel size of DAMIC CCDs, as well as the relatively low mass of the silicon nucleus, DAMIC is sensitive to ionization signals from recoiling nuclei or electrons following the scattering of WIMP or hidden-sector dark matter particles. The theme of this thesis is to advance next-generation CCD dark matter searches by investigating radioactive backgrounds that limit sensitivity and by improving the resolution of CCDs using Skipper technology. We present a technique to distinguish and reject background events in the DAMIC at SNOLAB detector by identifying spatially-correlated decay sequences over long periods. We also discuss a direct experimental measurement of the cosmogenic activation of silicon obtained via CCD irradiation. We review the construction of a radioactive background model for a CCD dark matter detector, which revealed the existence of a partial charge collection region in DAMIC CCDs. We propose steps for optimal material selection, fabrication, and handling of future detectors. Finally, we outline results from the deployment of novel Skipper CCDs that reach sub-electron resolution by performing non-destructive, multiple measurements of pixel charge. DAMIC-M, a kg-size Skipper CCD experiment, is being developed. We review the construction of automated test chambers to characterize DAMIC-M CCDs, for which a resolution of 0.07 e- has already been demonstrated.