Search for dark matter with liquid argon detectors - AstroParticule et Cosmologie
Thèse Année : 2024

Search for dark matter with liquid argon detectors

Recherche de matière noire avec détecteurs d'argon liquide

Théo Hugues
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1487984
  • IdRef : 282497900

Résumé

The quest to understand the elusive nature of dark matter, a substantial constituent of the universe, continues to be a fundamental challenge in modern physics and cosmology. This thesis delves into the intricate world of dark matter search, with a specific focus on two intriguing aspects: inelastic boosted dark matter (iBDM) and low-mass dark matter, particularly low-mass Weakly Interacting Massive Particles~(WIMPs). Cutting-edge liquid argon detectors offer a unique and sensitive platform for the detection of these elusive particles. The prevailing cosmological evidence for dark matter's existence, combined with its substantial gravitational influence on galaxies and galaxy clusters, suggests a non-baryonic nature. One of the leading candidates for dark matter is WIMPs, hypothesized to be weakly interacting, electrically neutral particles with a mass potentially spanning a wide range. Low mass WIMPs, characterized by masses in the sub-GeV to GeV range, have gained significant attention in recent years due to their potential to address several outstanding issues while constituting a new frontier ready to be explore by experiments. To detect low-mass dark matter and iBDM, this thesis leverages the unique capabilities of two liquid argon detectors, DEAP-3600 and DarkSide-50. Liquid argon, due to its low energy threshold, background mitigation potential and scalability, offers an ideal medium for the detection of low-energy recoils produced by interactions between dark matter particles and atomic nuclei or electrons. The thesis explores operation of these detectors in detail, highlighting their capacity to capture rare and low-energy events. One of the central components of this research lays in the challenges and intricacies associated with low-mass dark matter detection, such as mitigating background noise. It explores novel analysis techniques and statistical approaches to enhance the sensitivity of the liquid argon detectors for low-mass WIMP searches. We have successfully investigated the energy range reaching a threshold as low as 0.04 keV, which is the lowest yet examined in an annual search for dark matter modulation. No modulation signal was identified in any of the analysed intervals. The level of significance associated with this outcome is inadequate to definitively validate or dismiss the DAMA/LIBRA finding. Nonetheless it proves liquid argon efficiency in this endeavor, and provided with sufficiently long data taking and stability, the potential for future detectors to achieve leading sensitivity. In addition to low mass WIMPs, the thesis investigates inelastic boosted dark matter as a novel and less explored candidate. Inelastic dark matter models propose particles with mass splitting between their ground state and excited state, enabling them to kinetically access higher-energy interactions. This unique property may have profound implications for both cosmology and particle physics. The study discusses the potential astrophysical signatures and detection strategies for inelastic boosted dark matter, emphasizing their distinctive features compared to standard WIMP scenarios. In conclusion, this thesis provides a broad overview of dark matter phenomena, with a primary focus on low mass WIMPs and inelastic boosted dark matter. Through a blend of theoretical discussions and experimental prospects, it underscores the role of these candidates in unraveling the mysteries of the dark universe. The quest to understand dark matter remains a vibrant and evolving field, offering exciting opportunities to further our comprehension of the fundamental constituents of the Universe.
La quête pour comprendre la nature insaisissable de la matière noire, un constituant essentiel de l'univers, continue de constituer un défi fondamental pour la physique et la cosmologie modernes. Cette thèse se penche sur le monde complexe de la recherche de matière noire, avec un accent particulier sur deux aspects : la Inelastic Boosted Dark Matter (iBDM) et la matière noire de faible masse, en particulier les Weakly interacting Massives Particles (WIMP) de faible masse. L'étude utilise des détecteurs à argon liquide , offrant une plate-forme unique et sensible pour la détection de ces particules insaisissables. Les preuves cosmologiques de l'existence de la matière noire, combinées à son influence gravitationnelle substantielle sur les galaxies et les amas de galaxies, suggèrent une nature non baryonique. L'un des principaux candidats à la matière noire est le WIMP, supposées être des particules électriquement neutres à interaction faible et dont la masse s'étend potentiellement sur une large gamme. Les WIMP de faible masses, caractérisés par des masses comprises entre le sub-GeV et le GeV, ont retenu l'attention ces dernières années en raison de leur potentiel à résoudre plusieurs problèmes en suspens tout en constituant une nouvelle frontière prête à être explorée par des expériences. Pour détecter la matière noire de faible masse et l'iBDM, cette thèse exploite les capacités uniques de deux détecteurs à argon liquide, DEAP-3600 et DarkSide-50. L'argon liquide, en raison de son excellente résolution énergétique, de son atténuation du bruit de fond et de son évolutivité, offre un milieu idéal pour la détection des reculs de faible énergie produits par les interactions entre les particules de matière noire et les noyaux atomiques ou les électrons. Cette thèse explore en détail le fonctionnement de ces détecteurs, mettant en évidence leur capacité à capturer des événements rares et de faible énergie. L'un des éléments centraux de cette recherche réside dans les défis et les subtilités associés à la détection de matière noire de faible masse, comme l'atténuation du bruit de fond. Il explore de nouvelles techniques d'analyse et des approches statistiques pour améliorer la sensibilité des détecteurs à argon liquide pour les recherches de WIMP de faible masse. Nous avons étudié avec succès la plage d'énergie atteignant un seuil de 0.04 keV, qui est le plus bas jamais examiné dans le cadre d'une recherche de modulation annuelle de la matière noire. Aucune modulation n'a été identifié dans les intervalles analysés. Le niveau de signification associé à ce résultat est insuffisant pour valider ou rejeter définitivement les résultats de DAMA/LIBRA. Néanmoins, il prouve l'efficacité de l'argon liquide dans cette entreprise et, avec une prise de données suffisamment longue et une stabilité suffisante, le potentiel de futur détecteur pour atteindre une sensibilité de pointe. En plus des WIMP de faible masse, la thèse étudie la iBDM en tant que candidat nouveau et moins exploré. Les modèles de matière noire inélastique proposent des particules dont la masse se divise entre leur état fondamental et leur état excité, leur permettant d'accéder cinétiquement à des interactions de plus haute énergie. L'étude discute des signatures astrophysiques potentielles et des stratégies de détection de la iBDM, en soulignant leurs caractéristiques distinctives par rapport aux scénarios WIMP standards. En conclusion, cette thèse fournit un aperçu complet des phénomènes de matière noire, avec un accent principal sur les WIMP de faible masse et la iBDM. À travers un mélange de discussions théoriques et de perspectives expérimentales, il souligne le rôle de ces candidats dans la percée des mystères de l'univers. La quête pour comprendre la matière noire est un domaine dynamique et en évolution, offrant des opportunités passionnantes pour approfondir notre compréhension des constituants fondamentaux de l'Univers.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04879717 , version 1 (10-01-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04879717 , version 1

Citer

Théo Hugues. Search for dark matter with liquid argon detectors. Astrophysics [astro-ph]. Université Paris Cité; Centrum astronomiczne im. Mikolaja Kopernika (Varsovie ; 1978-..), 2024. English. ⟨NNT : 2024UNIP7009⟩. ⟨tel-04879717⟩
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