Recherche d'événements rares avec des détecteurs cryogéniques pour les expériences RICOCHET et TESSERACT

Rare search events with cryogenic detectors with RICOCHET and TESSERACT experiments

• Auteur / Autrice : Juliette Blé
• Direction : Silvia Scorza
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique Subatomique et Astroparticules
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• 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 Cosmologie

Mots clés

Mots clés libres

CEvNS

Detecteur cryogenique

Tesseract

Ricochet

Matiere noire

Cryogenic detectors

Tesseract

CEvNS

Dark matter

Ricochet

Résumé

Le projet proposé s'inscrit dans le cadre du développement de détecteurs cryogéniques pour la recherche d'événements rares. Le ou la candidat.e retenu.e renforcera la contribution de l'équipe aux efforts de R&D cryogéniques en cours en France pour la recherche directe de matière noire (DM). Actuellement l'équipe du LSPC travaille sur des détecteurs cryogéniques pour l'expérience RICOCHET, le programme R&D Cryosel et l'expérience TESSERACT qui sera située au Laboratoire Souterrain de Modane(LSM). Bien que le cadre scientifique de ces expériences ne soit pas le même (recherches de particules de matière noire ou étude de la diffusion élastique cohérente neutrinos-noyaux), les défis concernant la recherche d'événements rares de faible énergie sont similaires. L'expérience RICOCHET vise à fournir la première mesure de haute précision (au niveau du pourcentage) à très basse énergie (<100 eV) de la diffusion cohérente des neutrinos. Installée à proximité du réacteur de recherche de l'Institut Laue Langevin (ILL), elle permettra d'étudier la physique au-delà du Modèle Standard en recherchant de nouveaux médiateurs massifs et en contraignant avec une grande précision la possibilité d'interactions non standards dans le secteur électrofaible. Le projet TESSERACT recherchera l'existence de particules galactiques individuelles de DM de masse inférieure à celle du proton via leur interaction avec des détecteurs performants et ultra-sensibles. TESSERACT vise à explorer l'espace des paramètres de masse de DM jusqu'à 10 MeV, avec des améliorations possibles vers des énergies inférieures au MeV. Il sera sensible à la matière noire en interaction via un recul nucléaire ou électronique. Plusieurs matériaux cibles seront utilisés pour maximiser la sensibilité à une variété d'interactions DM et fournir des mesures indépendantes pour la compréhension des bruits de fond instrumentaux. Le doctorant ou la doctorante contribuera au développement des détecteurs cryogéniques au germanium pour la recherche de particules de DM pour l'expérience TESSERACT. Pour cela, nous prévoyons que l'étudiant.e se déplace sur le plateau technique CRYORED à l'IP2I et au LSM pour les tests en milieu souterrain. Il ou elle sera activement impliqué.e dans l'analyse des performances de ces détecteurs cryogéniques et participera à l'installation et à la mise en service de l'expérience TESSERACT au LSM puis à l'analyse des premières données de l'expérience. Cela constituera le coeur de son programme de recherche. De plus, il ou elle sera amené.e à jouer un rôle de premier plan dans la compréhension des bruits de fond propres à l'installation expérimentale du LSM. La prise en compte des processus radioactifs associés à l'activité des matériaux entourant le cryostat est cruciale pour estimer le bruit de fond de l'expérience. L'un des principaux outils de ces études est le recours à des travaux de simulation approfondis. Pour une expérience donnée, cela permet d'étudier des stratégies de suppression ou de rejet du bruit de fond, d'étudier les exigences en matière de blindage actif ou passif, la pureté des matériaux, l'efficacité des détecteurs veto, etc. Le groupe du LPSC contribue activement aux efforts de compréhension et de limitation du bruit de fond radioactif via des simulations MonteCarlo avec le code GEANT4. Le doctorant ou la doctorante contribuera à étendre les efforts en cours avec la prise en compte détaillée dans les simulations GEANT4 de tous les matériaux entourant les détecteurs afin de mieux comprendre et estimer le bilan du fond radioactif de l'appareil expérimental. Il ou elle dirigera également le programme d'analyse de la radio-pureté des matériaux envisagés pour la réalisation de l'expérience en vue de leur sélection vis à vis de ce critère.

The proposed PhD project arises within the cryogenic detector development for rare search event. The successful candidate will enhance the team contribution to the R&D cryogenic efforts ongoing in France targeting direct dark matter (DM) searches. Currently the team at LSPC works on cryogenic detectors for the RICOCHET experiment, Cryosel R&D program and the TESSERACT experiment which will be located at the Modane underground Laboratory (LSM). Although the science scope of these experiments is not the same (dark matter searches and coherent elastic neutrino nucleus scattering), the challenges are very similar looking for a low-energy rare event. The RICOCHET experiment aims to provide the first high-precision measurement (at the percent level) at very low energy (<100 eV) of coherent neutrino scattering. Installed at the research reactor of the Institut Laue Langevin (ILL), it will allow physics beyond the Standard Model physics by searching for new massive mediators by constraining with great precision the possibility of non-standard interactions in the electroweak sector. The TESSERACT project searches for individual galactic DM particles below the proton mass through interactions with advanced, ultra-sensitive detectors. TESSERACT is aiming at exploring DM mass parameter space down to 10 MeV, with upgrade paths to sub-MeV. It will be sensitive to both nuclear- and electron-recoil interacting dark matter. Multiple target materials will be used to maximize sensitivity to a variety of DM interactions, providing an independent handle on instrumental backgrounds. The PhD student will contribute to the development and testing at the Modane underground laboratory of germanium cryogenic detectors for the search of light dark matter particles within the TESSERACT experiment. The student will be actively involved in data analysis of these cryogenic detectors with the goal of optimizing the detector performances. The student will take part at the TESSERACT commissioning underground at the LSM site, analyzing the first low-background dark matter data set. We foresee for the student some shifts at the surface CRYORED technical plateau at the IP2I in Lyon to optimize the detectors for direct dark matter searches. This will be the student core research activities. In addition, the student will also play a leading role in understanding the environmental backgrounds for the experimental installation underground at the Modane Laboratory. Taking into account the radioactive processes associated with the activity of the materials surrounding the cryostat is crucial to estimate the background noise of the experiment. One of the main tools for these studies is the use of extensive simulation work. For a given experiment, this allows to study strategies for suppressing or rejecting background noise, to study requirements for active or passive shielding, purity of materials, efficiency of veto detectors, etc. The group at LPSC actively contribute to the efforts to understand and limit the radioactive background via MonteCarlo simulations with GEANT4. The student will help expanding the ongoing effort in the GEANT4 simulations in terms of radioactive background induced by any material surrounding the detectors to better understand and estimate the radioactive background budget of the experimental apparatus. The student will be also leading the material and screening assay program for material radiopure measurements and will contribute to the experimental apparatus integration underground at the LSM.