Recherche de matière noire et physique des neutrinos dans l'argon liquide

Dark matter search and nutrino physics in liquid Argon

• Auteur / Autrice : Michela Lai
• Direction : Davide Franco, Walter Bonivento
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 05/02/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité en cotutelle avec Università degli studi (Cagliari, Italie)
• 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 : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Alessandra Tonazzo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Juan José Gómez Cadenas, Leszek Roszkowski, Nicola Serra, Gianluca Usai
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Juan José Gómez Cadenas, Leszek Roszkowski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse des données

Argon liquide

Photomultiplicateurs

Astrophysique des neutrinos

Matière noire (astronomie)

Particules (physique)

Mots clés libres

Neutrinos de supernova

Photomultiplicateur au silicium

DarkSide

DEAP-3600

Supernova neutrinos

Particle physics

Dark matter

Neutrino physics

Silicon photomultiplier

Liquid argon

Data analysis

Résumé

Plusieurs observations astrophysiques, tant galactique que cosmologique, montrant qu’il y a une ”masse manquante” dans l’Univers observable, peuvent être expliquées en supposant une matière non lumineuse, donc appelée ”matière noire”. L’un des candidats les plus prometteurs est le Weak Interacting Massive Particle (WIMP), une particule massive non relativiste, capable d’une interaction gravitationnelle et d’une interaction faible avec la matière baryonique. Le présent travail est axé sur le potentiel physique en plus de la recherche des WIMPs des détecteurs de matière noire remplis d’argon liquide, comme DarkSide et DEAP-3600. L’argon liquide est une cible optimale grâce à ses rendements élevés de scintillation et d’ionisation.DEAP-3600 est un détecteur monophasique qui exploite uniquement le canal de scintillation, tandis que DarkSide-20k et Argo, les futures expériences à l’échelle des tonnes du programme DarkSide, sont des chambres de projection temporelle (TPCs) biphasiques qui examinent les signaux de scintillation et d’ionisation. La grande masse (3.3 tonnes) de la cible de DEAP-3600 a permis d’effectuer une analyse pour rechercher des Multi Interacting Massive Particles (MIMPs), une possible alternative aux WIMPs, à des masses supérieures à 10 16 GeV et avec une section efficace indépendante du spin matière noire-argon d’environ 10 −22 cm 2 . Ce travail est la phase préparatoire à l’ouverture de 3 années de collection de données. Du présent aux futurs détecteurs de matière noire, DarkSide-20k et Argo seront caractérisés par une sensibilité extraordinaire aux faibles reculs d’énergie. Ceci est principalement la conséquence de la haute résolution énergétique des photodétecteurs choisis, les photomultiplicateurs de silicium (SiPMs). Les SiPMs personnalisées ont été fabriques pour la recherche de la matière noire dans DarkSide-20k; par conséquence, les SiPMs ont été ici caractérisées, avec un accent sur leurs bruits corrélés : les afterpulses et les optical crosstalks. La même sensibilité à basse énergie apporte également un fort potentiel de détection des neutrinos de supernova par coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CEvNS) dans l’argon en exploitant le signal d’ionisation. L’étude de sensibilité correspondante est ici réalisée et il montre que l’émission de neutrinos sera détectée pour toute supernova galactique, avec une bonne précision dans la reconstruction des principaux paramètres de l’éclatement, c’est-à-dire l’énergie totale des neutrinos et leur énergie moyenne.

Several astrophysical observations, both on a galactic and cosmologicalscales, showing that there’s a “missing mass” in the observable Universe, can be explained assuming a non-luminous kind of matter, hence called “dark matter”. One of the most promising candidates is the Weakly Interacting Massive Particle (WIMP), a non-relativistic massive particle, gravitationally and weakly interacting with baryonic matter. The present work is specifically focused on the physics potential besides WIMP search of dark matter detectors filled with Liquid argon, like DarkSide and DEAP-3600. Liquid argon is an optimal target thanks to its high scintillation and ionization yields. DEAP-3600 is a single-phase detector, exploiting the scintillation channel only, while DarkSide-20k and Argo, future tonne scale experiments from the DarkSide program, are dual-phase Time Projection Chambers (TPCs), looking at both scintillation and ionization signals. The large mass (3.3 tons) of the DEAP-3600 target has allowed me to perform an analysis to search for Multi Interacting Massive Particles (MIMPs), a dark matter candidate alternative to WIMPs, at masses above 10 16 GeV and with argon-dark matter spin-independent cross-section of about 10 −22 cm 2 , fully setting up the upcoming unblinding of three years of data taking. Going from the present to the future dark matter detectors, DarkSide-20k and Argo will be characterized by an extraordinary sensitivity at low energy recoils. This is mainly consequence of the high energy resolution of the chosen photodetectors, Silicon Photomultipliers (SiPMs). Custom SiPMs have been designed for the dark matter search in DarkSide-20k; hence, SiPMs have been here characterized, with a focus on their correlated noises, namely afterpulses and optical crosstalks. The same sensitivity at low energy brings also to a strong potential in detecting supernova neutrinos via coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CEvNS) in argon by exploiting the ionization signal. The related sensitivity study is here performed showing that the neutrino emission will be detected for any galactic supernova, with a good accuracy in reconstructing the main parameters of the burst, namely the total energy of neutrinos andtheir average energy.