Caractérisation du bruit de fond des matériaux et étalonnage du détecteur XENONnT du keV au MeV

Characterization of material backgrounds and calibration of the XENONnT detector from keV to MeV

• Auteur / Autrice : Marina Bazyk
• Direction : Sara Diglio, Elisabetta Barberio, Dominique Thers
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique subatomique (nucléaire et des particules)
• Date : Soutenance le 30/01/2025
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire en cotutelle avec University of Melbourne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique Subatomique et des Technologies Associées (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Luca Scotto Lavina
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sara Diglio, Elisabetta Barberio, Dominique Thers
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maria Martinez, Irene Bolognino
• DOI : 10.70675/ce2da68ezce29z4c37zafd2z68cd9559c015

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière noire (astronomie)

Détecteurs de rayonnement

Désintégration double bêta sans neutrino

Mots clés libres

Matière noire

Double désintégration bêta sans neutrinos

XENONnT

Bruit de fond

Étalonnage

Incertitudes

Xénon liquide

Dark matter

Neutrinoless double beta decay

XENONnT

Background

Uncertainties

Liquid Xenon

Résumé

La Matière Noire (DM) et la désintégration double bêta sans neutrinos (0νββ) ont le potentiel de révéler nouvelle physique au-delà du Modèle Standard. Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'expérience souterraine à très faible bruit de fond XENONnT. XENONnT (au LNGS de l'INFN en Italie) est très sensible à la recherche d'événements rares. Dans ce contexte, l'importance du processus de calibration du détecteur XENONnT, qui réagit différemment aux récoil nucléaires et électroniques en fonction de la particule interagissante et de la gamme d'énergie (keV à MeV) sera soulignée. En utilisant diverses sources de calibration, l'étude présentée dans ce manuscrit a permis de caractériser la réponse du détecteur, assurant une identification précise des signaux. De plus, une caractérisation et modélisation approfondies des bruits de fond – notamment en provenance des matériaux du détecteur et du milieu environnant – sont essentielles pour distinguer les événements rares provenant de nouvelle physique des possibles bruits de fond. Cette thèse apporte une contribution dans la caractérisation des bruits de fond, améliorant ainsi l'interprétation des données pour les recherches de phénomènes rares. Ce travail fait progresser les capacités de XENONnT dans la recherche de la DM et de la 0νββ, contribuant à la quête plus large de nouvelles physiques. En développant des approches améliorées pour la réduction du bruit de fond, la calibration et l'analyse des signaux, cette recherche soutient l'exploration continue des questions fondamentales en physique et enrichit notre compréhension de l'univers.

Dark Matter (DM) and Neutrinoless double beta decay (0νββ) have potential to reveal new physics beyond the Standard Model. The thesis is done in the framework of the XENONnT underground ultra-low background experiment. XENONnT (at the INFN LNGS in Italy) has a great sensitivity to search for rare events. In this context, the importance of the calibration process of the XENONnT detector, which responds differently to nuclear and electronic recoils based on the interacting particle and energy range (keV to MeV) will be underlined. Using a variety of calibration sources, the study presented in this manuscript served to characterize on the detector's response, ensuring accurate signal identification. Additionally, extensive background characterization and modeling – particularly from detector materials and surrounding environment – is essential for isolating true signals from noise. This thesis contributes by the background characterization, thus improving data interpretation for rare event searches. This work advances XENONnT’s capabilities in the search for DM and 0νββ, aiding the broader quest for new physics. By developing improved approaches to background reduction, calibration, and signal analysis, this research supports the ongoing exploration of fundamental questions in physics and enhances our understanding of the universe.