Recherche Directe de Matière Noire avec le détecteur DarkSide-20k

Direct Search for Dark Matter with the DarkSide-20k experiment

• Auteur / Autrice : Marie Van uffelen
• Direction : Fabrice Hubaut, Emmanuel Nezri
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : PHYSIQUE DES PARTICULES ET ASTROPARTICULES
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CPPM - Centre de Physique des Particules de Marseille
• Jury : Président / Présidente : Eric Kajfasz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Hubaut, Julien Masbou, Corinne Augier, Jocelyn Monroe, Julien Lavalle, Emmanuel Nezri
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Julien Masbou, Corinne Augier

Mots clés

Mots clés libres

Détection Directe de Matière Noire

Physique des détecteurs

Simulations

Phénoménologie

Dark Matter Direct Detection

Detector Physics

Simulations

Phenomenology

Résumé

La nature de la matière noire reste un mystère de la physique fondamentale. Un modèle, motivé par la cosmologie et la physique des particules, fait l'hypothèse de l'existence d'une particule dont les propriétés répondent aux conditions pour être de la matière noire. Cette particule s'appelle Particule Massive qui Interagit Faiblement (notée WIMP), elle est la particule de matière noire la plus recherchée depuis des décennies par plusieurs générations d'expériences qui ont déjà exclu une grande partie de l'espace des phases. La prochaine expérience qui recherchera le WIMP en utilisant une Chambre à Projection Temporelle double phase fonctionnant avec de l'argon s'appelle DarkSide-20k, actuellement en construction. DarkSide-20k utilisera 50~tonnes d'argon liquide de basse radioactivité dans la partie la plus centrale de son volume de détection. Dans le contexte de la préparation de DarkSide-20k à la prise de données, les premières simulations de la calibration du détecteur avec des sources externes ont été effectuées, ainsi que des tests instrumentaux du système de calibration conduits avec des maquettes. Cela a permis de valider la conception et de prouver la faisabilité du système de calibration externe. En outre, la sensibilité attendue de DarkSide-20k aux WIMPs de basse masse ($<$~SI{10}{GeV/c^2}), ainsi qu'à d'autres candidats de matière noire de faible masse, a été évaluée pour la première fois. Par rapport aux actuels résultats d'autres expériences, une amélioration de sensibilité de plus d'un ordre de grandeur est attendue après seulement un an de prise de données. Comme le signal dépend de la modélisation du halo de matière noire de la Voie Lactée, l'impact des uncertitudes astrophysiques sur les sensibilités de DarkSide-20k aux WIMPs de haute et basse masses a été quantifié.

The very nature of dark matter is still a critical question mark in fundamental physics. A paradigm, driven by both cosmology and particle physics, hypothesises the existence of a Weakly Interacting Massive Particle, which fulfils the requirements to be a dark matter candidate. To date, the Weakly Interacting Massive Particle is the most seeked for dark matter candidate, with a large phase space already excluded by several generations of experiments. The next generation argon dual-phase Time Projection Chamber, called DarkSide-20k, is under construction. It will employ 50~tons of low radioactivity liquid argon in its most central detection volume. In the context of preparing DarkSide-20k before operation, the first simulations of the detector calibration using external sources as well as hardware tests with mock-ups have been performed. They validate the design and prove the feasibility of the external calibration system. Besides, the sensitivity of DarkSide-20k to low mass Weakly Interacting Massive Particles ($<$~SI{10}{GeV/c^2}) and other light dark matter candidates has been assessed for the first time. One expects more than one order of magnitude sensitivity improvement with respect to previous research results to a wide range of dark matter models, already with one year of data. As the signal spectrum depends on the modelling of the Milky Way dark matter halo, the impact of the astrophysical uncertainties on the sensitivity of DarkSide-20k to high and low mass Weakly Interacting Massive Particles has been quantified.