Recherche de matière noire légère avec un compteur proportionnel sphérique

Searching for Light Dark Matter with a Spherical Proportional Counter

• Auteur / Autrice : Patrick Knights
• Direction : Ioannis Giomataris, Konstantinos Nikolopoulos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 10/05/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec University of Birmingham (GB)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département d'Électronique, des détecteurs et d'informatique pour la physique (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2017-....) - University of Birmingham. School of Physics and Astronomy
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Etienne Augé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : George Fanourakis, Chamkaur Ghag, Gilles Gerbier, Dinesh Loomba, Paul Newman
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : George Fanourakis, Chamkaur Ghag

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bruit électronique

Détecteurs de rayonnement

Détecteurs gazeux (radioactivité)

Matière noire (astronomie)

Mots clés libres

Matière noire

Compteur proportionnel sphérique

Détecteur gazeux

Bruit de fond

Détecteurs de rayonnement

Dark matter

Spherical proportional counter

Gaseous detectors

Background

Radiation detectors

Résumé

La collaboration NEWS-G mène des expériences qui recherchent des particules candidates pour la matière noire jusqu'à des masses en dessous du GeV avec un détecteur gazeux le compteur proportionnel sphérique. Le détecteur de nouvelle génération, SNOGLOBE, un compteur proportionnel sphérique de 140 cm de diamètre, a été construit et des plans pour des expériences futures sont en cours. Le travail présenté a permis de développer la compréhension du détecteur, les propriétés des gaz, les techniques de suppression de fond et le potentiel physique des futures expériences. La compréhension du champ électrique du détecteur est essentielle au fonctionnement du détecteur. Les calculs de la méthode des éléments finis ont été utilisés pour guider le développement des capteurs de lecture, tout comme un programme de simulation, dédié aux compteurs proportionnels sphériques, basé sur Geant4 et Garfield ++. L'utilisation d'une électrode de correction secondaire à résistivité élevée avec le capteur à anode unique a amélioré la stabilité opérationnelle et la résolution d'énergie du détecteur en ajustant le champ électrique. L'utilisation d'une électrode centrale, imprimée en 3D pour le capteur multi-anode ACHINOS et enrobée d’une couche de DLC a permis une percée dans la stabilité et la robustesse du détecteur. ACHINOS offre un moyen de fonctionner avec des détecteurs de plus en plus grands et à haute pression, ce qui est essentiel pour le fonctionnement du SNOGLOBE et des futures recherches sphériques proportionnelles contre les événements rares. La fraction d'énergie déposée en forme d’ionisation doit être bien comprise pour déduire l'énergie d'un noyau de recul induit par la diffusion élastique de la matière noire. Une méthode a été développée pour calculer cela à partir de mesures de précision de la valeur W dans les gaz, menées depuis plusieurs décennies. Ceux-ci fournissent des estimations expérimentales du facteur de ‘quenching’ (QF) d'ionisation dans plusieurs gaz. Le facteur QF dans CH₄ est d'une importance particulière pour la collaboration NEWS-G et est estimé à des énergies de recul en dessous du keV. La construction de détecteurs de matière noire impose des contraintes extrêmement rigoureuses concernant la radio-pureté des matériaux utilisés. Dans le cas de NEWS-G, le ²²²Rn incrusté dans le cuivre du détecteur, lors de sa fabrication, conduit à une contamination de ²¹⁰Pb, qui est la plus grande contribution au bruit de fond expérimental. Une méthode de suppression de ce fond dans le cuivre est l'électroformage, qui a été utilisé par des expériences pour produire des composants de détecteur suite à l'amélioration significative de la radio-pureté. La technique a été rééchelonnée et une couche de cuivre très pur a été déposée à la surface interne de SNOGLOBE, réduisant le fond en dessous de 1 keV par un facteur de 2,6. Il s'agit du plus grand électroformage souterrain jamais réalisé et a démontré la faisabilité de la technique sur de grandes surfaces sphériques profondément souterraines. L'amélioration de la radio-pureté qui peut être obtenue avec l'électroformage a motivé le développement de futurs compteurs proportionnels sphériques entièrement électro-formés directement dans un laboratoire souterrain. L'installation ECUME de SNOLAB produira un détecteur de 140 cm pour NEWS-G et entrera en service cette année. Lorsqu'il est installé dans le blindage du SNOGLOBE, le détecteur entièrement électro-formé augmentera la sensibilité DM de NEWS-G. Au-delà, DarkSPHERE est proposé comme successeur dans la recherche directe de matière noire NEWS-G. Le détecteur électro-formé entièrement souterrain de 3 m, installé dans un blindage de radioprotection amélioré composé principalement d'eau, aurait le potentiel d'explorer l'espace de la section efficace pour la production de la matière noir proche au plancher des neutrinos solaires, dans la gamme de masse de matière noire inférieure à 1 GeV. Le potentiel physique d'un tel détecteur a été étudié.

The NEWS-G collaboration is conducting experiments that search for dark matter down to sub-GeV candidate masses with a gaseous detector, the spherical proportional counter. The next-generation detector, SNOGLOBE, a 140 cm-diameter spherical proportional counter, has been constructed, and plans for experiments beyond this are underway. The presented work has enabled SNOGLOBE, developing the understanding of the detector, the properties of gases, background suppression techniques and the physics potential of future experiments. The understanding of the detector electric field is essential to detector operation. Finite element method calculations were used to guide the development of read-out sensors, as was a dedicated simulation framework for spherical proportional counters, based on Geant4 and Garfield++.The use of a high-resistivity secondary correction electrode with the single-anode sensor improved detector operational stability and energy resolution by shaping the electric field. The use of a DLC coated, 3D-printed central electrode for the multi-anode sensor, ACHINOS, provided a breakthrough in detector stability and robustness. ACHINOS provides a means of operating with increasingly large and high-pressure detectors, which is essential for the operation of SNOGLOBE and future spherical proportional counter rare-event searches. The fraction of deposited energy dissipated as ionisation must be understood to infer the energy of a recoiling nucleus induced by dark matter elastic scattering. A method has been developed to compute this from precision measurements of the W-value in gases, which have been conducted for several decades. These provide experimental estimates of the ionisation quenching factor (QF) in several gases. The QF in CH₄ is of particular importance to the NEWS-G collaboration and is estimated to sub-keV recoil energies. The construction of dark matter detectors places extremely rigorous constraints on the radiopurity of materials used. In the case of NEWS-G, ²²²Rn introduced into the detector copper during manufacturing leads to a ²¹⁰Pb contamination, which is the dominant experimental background. A method of suppressing this background in copper is electroforming, which has been used by experiments to produce detector components due to the significant improvement in radiopurity. The technique has been scaled up and applied to apply a highly-pure copper layer to the inner surface of SNOGLOBE, reducing the background below 1 keV by a factor of 2.6. This is the largest deep-underground electroforming ever performed and has demonstrated the feasibility of the technique on large, spherical surfaces deep underground. The enhancement in radiopurity that can be achieved with electroforming has motivated future fully electroformed spherical proportional counters directly in an underground laboratory. The ECUME facility in SNOLAB will produce a 140 cm detector for NEWS-G, and is beginning operation this year. When installed in the shielding of SNOGLOBE, the fully electroformed detector will increase NEWS-G's sensitivity. Beyond this, DarkSPHERE is proposed as the next-generation detector. The 3 m fully underground electroformed detector, installed in an improved radiopurity shielding composed mainly of water, would have the potential to explore the dark matter candidate mass-cross section parameter space close to the solar neutrino floor in the sub-GeV dark matter mass range. The physics potential of such a detector has been explored.