Recherche de matière noire légère et exploration du secteur caché avec les dispositifs à transfert de charges de DAMIC à SNOLAB et DAMIC-M

Search for light dark matter and exploration of the hidden sector with the DAMIC at SNOLAB and DAMIC-M charge-coupled devices

• Auteur / Autrice : Michelangelo Traina
• Direction : Antoine Letessier-Selvon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'Univers
• Date : Soutenance le 07/10/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• 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 : Corinne Augier, Paolo Privitera
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laura Baudis, Federica Petricca

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique des hautes énergies

Capteurs CCD

Matière noire (astronomie)

Mots clés libres

Matière noire

CCD

Laboratoire souterrain

Dark matter

CCD

Underground laboratory

Résumé

L'existence dans l’Univers de matière non baryonique électromagnétiquement inerte est étayée par une pléthore d'observations astrophysiques et cosmologiques. Ainsi, la matière noire devrait représenter plus de 80 % de la masse de l'Univers. Un vaste bestiaire de particules candidates a été théorisé, le paradigme des particules massives à interaction faible (WIMP) dominant le paysage. Les efforts expérimentaux des dernières décennies n'ont pas réussi à détecter les WIMP pour des masses entre 10 et 10^4 GeV/c2, motivant ainsi la recherche de matière noire plus légère. Les expériences DAMIC (DArk Matter In CCDs) visent à la détection directe de WIMP légers et de candidats du secteur caché au moyen de dispositifs à transfert de charges (CCD) en silicium épais. Le détecteur DAMIC de SNOLAB ~40 g se trouve sous un mort-terrain rocheux de 2070 m dans la mine de Vale Creighton au Canada. Ses CCD se caractérisent par un bruit de lecture de l’ordre d’un électron, un courant de fuite minimal (~1E-4 e-/pixel/jour) et une excellente résolution spatiale (~15 µm). Le détecteur DAMIC-M, avec une masse de l’ordre de 1 kg, sera hébergé au Laboratoire Souterrain de Modane (LSM), à 1700 m sous le pic du Fréjus, en France. Ses capteurs CCD comportent des amplificateurs skipper, qui permettent une résolution d’une fraction d’électron en réalisant mesures non destructives des charges. L'objectif de minimisation du bruit de fond de DAMIC-M est de 0,1 dru (0,1 événement par keV-kg-jour), une amélioration de deux ordres de grandeur par rapport à l'installation de SNOLAB. Ce travail de thèse s'articule autour de deux grands thèmes : la construction du premier modèle de bruit de fond CCD complet dans le cadre de DAMIC à SNOLAB, et les efforts de recherche et développement vers les objectifs scientifiques de DAMIC-M, notamment avec le déploiement de son détecteur prototype, la Low Background Chamber (LBC). Le modèle de bruit de fond de DAMIC à SNOLAB est construit à partir de simulations GEANT4 des contaminations radioactives dans une géométrie virtuelle du détecteur. Les activités sont contraintes à partir des mesure de dosages effectuées sur les différents composants du détecteur. Par ailleurs, une technique d'analyse de coïncidence spatiale unique aux CCD est exploitée pour quantifier les isotopes primordiaux et cosmogéniques distribués sur la surface et dans la masse du CCD. Certaines des mesures effectuées de cette manière surpassent largement les méthodes de dosage les plus courantes. Le modèle de fond est utilisé pour rechercher des WIMP légers à partir d’un ensemble de données correspondant à une exposition de 11 kg-jour. Malgré un excès statistiquement significatif d'événements d’énergie inférieure à 200 eV, cette analyse place la limite d'exclusion la plus forte sur la section efficace de diffusion WIMP-nucléon indépendante du spin avec un détecteur cible en silicium pour masses < 9 GeV/c2. DAMIC-M est sur le point de franchir des étapes technologiques importantes vers ses objectifs scientifiques. Le déploiement de CCD skipper avec une électronique développée au LPNHE abaissera les seuils de détection à moins d’une dizaine d’eV, permettant simultanément une caractérisation plus précise du détecteur. Des cryostats de tests sont mis en place pour effectuer des évaluations systématiques des CCD et concevoir un processus de sélection pour DAMIC-M. Au LPNHE, un cryostat a également été utilisé pour la mise en service de l'instrumentation de l'expérience prototype LBC au LSM. La LBC à été mise en service fin 2021. Le bruit électronique (~10 e-) et le courant de fuite (~1E-3 e-/pixel/jour) élevés mesurés par rapport aux détecteurs de SNOLAB, mettent en évidence deux revers potentiels pour DAMIC -M. Malgré tout le premier ensemble de données scientifiques acquis avec les CCD skipper de la LBC (~ 20 g) permettent de définir des limites d'exclusion de classe mondiale sur la section efficace de diffusion de la matière noire sur les électrons.

The existence of electromagnetically inert non-baryonic matter in the universe is supported by a plethora of astrophysical and cosmological observations. Dark matter is expected to account for more than 80% of the mass of the universe. A vast bestiary of particle candidates have been theorized, with the Weakly Interacting Massive Particle (WIMP) paradigm dominating the landscape thanks to its desirable features. Experimental efforts of the last decades have been unsuccessful in detecting WIMPs with weak-scale masses (10-10^4 GeV/c2), thus motivating the search for lighter dark matter. The DAMIC (DArk Matter In CCDs) experiments aim for direct detection of light WIMPs and hidden sector candidates by means of thick silicon Charge-Coupled Devices (CCDs). DAMIC at SNOLAB ~40 g detector sits beneath a 2070 m rock overburden in the Vale Creighton Mine in Canada. Its CCDs are characterized by electron-order readout noise, minimal leakage current (~1E-4 e-/pixel/day) and exquisite spatial resolution (~15 µm). The DAMIC-M kg-scale detector will be hosted in the cleanroom facilities of the Laboratoire Souterrain de Modane (LSM), 1700 m below the Fréjus peak, in France. Its CCDs additionally feature skipper readout amplifiers, which enable sub-electron resolution by means of repeated non-destructive charge measurements. DAMIC-M background goal is 0.1 dru (0.1 events per keV-kg-day), which represents a two orders of magnitude leap relative to SNOLAB apparatus. This thesis work delves into two major themes: the construction of the first comprehensive CCD background model in the context of DAMIC at SNOLAB, and the research and development efforts towards DAMIC-M science goals, particularly with the deployment of its prototype detector, the Low Background Chamber (LBC). The DAMIC at SNOLAB background model is constructed by performing GEANT4 simulations of radioactive contaminants in a virtual detector geometry. Activities are constrained by means of different assay methods. Notably, the spatial coincidence analysis technique unique to Charge-Coupled Devices is leveraged to quantify notorious primordial and cosmogenic isotopes distributed over CCD surface and bulk. Some of the measurements conducted in this fashion vastly outperform more common assay methods. The background model is used to search for light WIMPs in a 11 kg-day exposure dataset. Despite a conspicuous, statistically-significant excess of events below 200 eV, this analysis places the strongest exclusion limit on the WIMP-nucleon spin-independent scattering cross section with a silicon target detector for masses < 9 GeV/c2. DAMIC-M is set to achieve important technological milestones on the way to its science goals. The deployment of skipper CCDs with custom electronics will lower detection thresholds down to ~10 eV, simultaneously enabling higher-precision detector characterization. Cryogenic test chambers are set up across institutions to conduct systematic CCD testing and design a selection process in view of DAMIC-M CCD production. A protocol is defined to establish detector grade and characterize detector performance. The test chamber constructed at LPNHE is additionally used to commission instrumentation for the LBC prototype experiment at LSM. The Low Background Chamber is commissioned for operations in late 2021. High electronic noise (~10 e-) and leakage current (~1E-3 e-/pixel/day) are measured with respect to SNOLAB detectors, highlighting two potential setbacks for DAMIC-M. Despite this, the first science dataset acquired with both LBC skipper CCDs (~20 g) is used to set world-class exclusion limits on the dark matter-electron scattering cross section.