DarkSide : Searching for dark matter with liquid argon - Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Energies Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

DarkSide : Searching for dark matter with liquid argon

DarkSide : à la recherche de la matière noire avec l'argon liquide

Résumé

Astrophysical observations and cosmological measurements have raised the existence of an invisible missing mass in the Universe that has been called Dark Matter. Current main candidates for this unknown matter are WIMPs, Weakly Interacting Massive Particles, ALPs, Axion-Like Particles, and sterile neutrinos between 7 and 36 keV/c 2; The DarkSide experiment has for aim direct detection of dark matter particles using a double-phase liquid argon time projection chamber. The actual main detector, DarkSide-50 with 50 kg of active mass, has allowed raising the best detection limits at low mass. The next one, DarkSide-20k with 20 ton of fiducial mass, is in preparation with notably several prototypes testing new technologies or methods of detection to perform successfully the change in scale. Proto-0 and ReD are two of these prototypes; Proto-0 is testing new technologies while ReD is meant for testing the possibility of directionality measurements. In this work, we will first look at some improvements in the background contribution and energy scales of DarkSide-50. This contributed to refining the overall limits on WIMPs with and without the Migdal effect. We will also study additional dark matter models, solar and galactic ALPs and sterile neutrinos in the 7 to 36 keV/c 2 mass range. Limits found for ALPs and sterile neutrinos are not competitive with already existing work. Secondly, we will look at the data reconstruction software developed with Proto-0 and ReD data and with DarkSide-20k simulations. Finally, this data reconstruction will allow us to assess the stability of the gas pocket thickness inside the ReD experiment, to study the impact of several configurations and parameters of the design of DarkSide-20k on the pulse shape discrimination and thus on its sensitivity to dark matter, to reconstruct the position of the scintillation signal inside DarkSide-20k and to assess the performance in associating the scintillation and ionisation signals in DarkSide-20k.
Les observations astrophysiques et les mesures cosmologiques ont soulevé l’existence d’une masse manquante invisible dans l’Univers qui a été nommée matière noire. Les principaux candidats actuels pour cette matière inconnue sont les WIMPs, particules massives à faible interaction, les ALPs, particules similaires à des axions, et les neutrinos stériles de masse entre 7 et 36 keV/c 2. L’expérience DarkSide a pour but la détection directe des particules de matière noire à l’aide d’une chambre à projection temporelle à double phase utilisant de l’argon liquide. Le détecteur principal actuel, DarkSide-50 de masse active 50 kg, a permis de tracer les meilleures limites de détection à faible masse. Le prochain détecteur, DarkSide-20k, de masse fiducielle 20 tonnes, est en préparation avec notamment plusieurs prototypes en cours testant de nouvelles technologies ou de nouvelles méthodes de détection afin de réussir ce changement d’échelle. Proto-0 et ReD sont deux de ces prototypes ; Proto-0 teste de nouvelles technologies tandis que ReD est destiné à tester la possibilité de mesures de directionalité. Dans cette thèse, nous allons d’abord examiner quelques améliorations dans le calcul des contributions de certains bruits de fond ainsi que la calibration des échelles énergétiques de DarkSide-50. Ces résultats ont contribué à affiner les limites du modèle concernant les WIMPs avec et sans effet Migdal. Nous étudierons également de nouveaux modèles de matière noire, les ALPs solaires et galactiques ainsi que les neutrinos stériles dans une gamme de masse de 7 à 36 keV/c 2 . Les limites atteintes pour les ALPs et les neutrinos stériles ne sont pas compétitives par rapport aux travaux déjà existants. Nous nous pencherons ensuite sur le logiciel de reconstruction de données développé à l’aide des données des expériences Proto-0 et ReD ainsi que des simulations réalisées pour DarkSide-20k. Finalement, les données reconstruites nous permettrons de déterminer la stabilité de l’épaisseur de la poche de gaz de l’expérience ReD, d’étudier l’impact de plusieurs configurations et paramètres du futur détecteur DarkSide-20k sur la discrimination de la forme des impulsions et donc sur sa future sensibilité à la matière noire, de reconstruire la position du signal de scintillation pour DarkSide-20k et d’évaluer la performance de l’association entre les signaux de scintillation et d’ionisation dans le détecteur DarkSide-20k.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03924439 , version 1 (05-01-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03924439 , version 1

Citer

Julie Rode. DarkSide : Searching for dark matter with liquid argon. Astrophysics [astro-ph]. Sorbonne Université, 2022. English. ⟨NNT : 2022SORUS326⟩. ⟨tel-03924439⟩
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