Détection directionnelle de WIMP et recherche d'axions en dimensions supplémentaires avec le détecteur MIMAC

Directional detection of WIMPs and searches for axions in extra dimensions with the MIMAC detector

• Auteur / Autrice : Cyprien Beaufort
• Direction : Daniel Santos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique subatomique et astroparticules
• Date : Soutenance le 29/09/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble, Isère, France ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Mayet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elisabetta Baracchini, Gabriel Chardin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jocelyn Monroe, Igor Irastorza

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière noire (astronomie)

Mots clés libres

Matière noire

Détection directionnelle

Wimp

Axion

Dimensions supplémentaires

Détecteur gazeux

Dark matter

Directional detection

Wimp

Axion

Extra dimensions

Gazeous detector

Résumé

Alors que de multiples observations indiquent que la matière noire représenterait 84% de la masse de l'univers, la nature de cette particule demeure inconnue et les recherches expérimentales s'intensifient, notamment concernant le WIMP et l'axion. La détection directionnelle constitue une signature unique pour l'identification de WIMP par la corrélation entre la direction des reculs nucléaires induits par des WIMP et le mouvement du système solaire dans le halo galactique. Le détecteur gazeux directionnel MIMAC mesure l'énergie d'une particule et reconstruit sa trace en 3D. Cette thèse étudie la détection directionnelle dans la gamme du keV qui n'est accessible qu'en travaillant à haut gain (>10^4). Nous démontrons que dans ces conditions, le signal ionique vient perturber la reconstruction de la trace tout en améliorant la sensibilité du détecteur. L'implémentation de SimuMimac, un nouvel outil de simulation en accord avec les données, nous a conduit à élaborer une procédure pour extraire le courant électronique dans nos mesures, permettant de ce fait la reconnaissance du sens de la trace et le développement de nouveaux outils directionnels. Les performances directionnelles de MIMAC sont évaluées par la reconstruction de spectres neutroniques mono-énergétiques à 27 keV et 8 keV. Nous obtenons une résolution angulaire de 15° ce qui démontre pour la première fois qu'un détecteur peut accéder à la directionnalité dans la gamme du keV. À ces basses énergies, seule une partie de l'énergie d'un recul nucléaire est déposée sous forme d'ionisation et l'énergie cinétique doit donc être déterminée à l'aide du facteur de quenching en ionisation. Nous avons mesuré ce facteur pour des protons dans du méthane et nous en concluons que cette quantité essentielle doit systématiquement être mesurée et non plus simulée. En travaillant à haut gain, MIMAC pourrait aussi détecter des axions se propageant dans des dimensions supplémentaires. Une partie de ces axions pourrait être attrapée dans le champ gravitationnel solaire et nous calculons une densité de 10^7 cm^{-3} au niveau de la Terre. En affinant le modèle et les contraintes correspondantes, nous réduisons de plusieurs ordres de grandeur le taux d'événement a → γγ dans un détecteur tel que MIMAC. En plus d'expliquer plusieurs observations solaires, l'axion constitue une particule prometteuse pour tester l'existence de dimensions supplémentaires.

While converging observations motivate the existence of a dark matter accounting for 84% of the mass of the universe, the nature of such a particle remains unknown and extensive searches are carried out, in particular concerning the WIMP and the axion. Directional detection correlates the direction of WIMP-induced nuclear recoils with the motion of the solar system in the galactic dark matter halo, thus providing a unique signature for WIMP identification even beyond the neutrino floor. The gaseous directional detector MIMAC measures the energy of a particle and reconstructs its track in 3D. This thesis investigates directional detection in the keV-range, for probing WIMPs with masses down to GeV, only accessible when operating the MIMAC detector at high gain (>10^4). We demonstrate that in these conditions, the interplay between the ionic and the electronic signals distorts the track reconstruction while it improves the detector sensitivity. The development of SimuMimac, a new simulation tool reproducing the MIMAC measurements, leads us to a procedure for extracting the electronic current from any measurements, allowing for head-tail recognition and providing new directional tools. We evaluate the directional performance of the MIMAC detector by the reconstruction of mono-energetic neutron spectra at 27 keV and 8 keV, achieving a 15° angular resolution and thus demonstrating for the first time that a detector can successfully access directionality in the keV-range. In this low-energy region, a nuclear recoil only releases part of its energy as ionization, and the kinetic energy must be inferred from the Ionization Quenching Factor (IQF). We measure the IQF of protons in methane in the keV-range and we conclude that this crucial quantity should no longer be determined by simulations. When operating at high gain, the MIMAC detector could also search for axions propagating in large extra dimensions. In this framework, axions with masses in the keV-range would be trapped into the solar gravitational field, for which we derive a number density of 10^7 cm^{-3} on Earth. By refining the model and updating the constraints, we reduce by orders of magnitude the a → γγ event rate for the higher-dimensional axion in a MIMAC-like detector. The axion remains a promising probe for extra dimensions while it offers explanations for multiple puzzling solar observations.