JE2 Recherches directes de matière noire au travers de détecteurs à l’argon liquide

  • darkside

    Durant les vingt dernières années, de nombreuses observations astrophysiques et cosmologiques (fond diffus cosmologique, étude de la formation des structures …) tendent à montrer l’existence d’effets gravitationnels à grande échelle que nous ne pouvons pas imputer à la matière ordinaire (également appelée matière baryonique). Il est ainsi possible d’expliquer de tels effets en considérant que notre Univers est en partie composé par une densité relique de matière non-baryonique que nous qualifions de sombre, car elle n’émet aucun rayonnement. La compréhension de la matière sombre, qui constitue 1/4 de la densité totale de notre Univers, représente un des challenges les plus importants de la cosmologie moderne.

    Une possibilité, motivée par la physique des particules, est que la matière sombre serait composée de particules élémentaires encore inconnues à ce jour. Un des candidats des plus prometteurs à la matière sombre est le WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), une particule formée dans l’Univers primordial et qui interagirait gravitationnellement avec la matière baryonique.

    De nombreuses expériences terrestres tentent de découvrir la matière sombre en recherchant des collisions entre des WIMPs et les noyaux d’un détecteur. Une telle interaction produirait alors des reculs nucléaires de basse énergie (<100 keV) que nous pourrions détecter. Pour de telles recherches, nous nous attendons à mesurer de très faibles taux d’événements, ce qui contraint de telles expériences à explorer de nouvelles possibilités afin augmenter leurs sensibilités.

    L’utilisation de l’argon liquide (LAr) comme cible présente l’avantage de pouvoir imaginer de grand détecteur (à l’échelle de plusieurs tonnes) et de disposer d’un excellent pouvoir de discrimination entre les reculs nucléaires provenant de l’interaction avec les WIMPs et les reculs d’électrons provenant du bruit de fond gamma et bêta en utilisant la forme du signal.

     

    TPC-Argon-liquide-dark-side

    Figure 1 Schéma d’une TPC doubles phases à l’argon liquide (gauche) et design de de la TPC de l’expérience DarkSide-50 (droite)

     

    En particulier, les chambres à projection temporelle (TPC-Time Projection Chamber) à double phase opérante avec de l’argon liquide (LAr TPCs), qui sont à même de pouvoir détecter la lumière de le scintillation et d’ionisation produite par des reculs nucléaires lors de l’interaction, sont particulièrement prometteuses, car elles garantissent la localisation de l’événement en 3D dans le volume actif.

     

    Le programme DarkSide

     

    DarkSide est un projet, comprenant plusieurs phases, dont le but est le développement de LAr TPCs utilisant de nouvelles techniques innovantes pour identifier la matière sombre et de comprendre et supprimer le bruit de fond. Dans la phase actuelle, le détecteur DarkSide-50 opère avec une masse fiduciel de 50 kg d’argon liquide depuis novembre 2013. Ce détecteur à d’ores et déjà permis de démontrer l’exceptionnel pouvoir de réjection des reculs d’électron venant du fond dans LAr (>107), la faible contamination de l’argon souterrain en 39Ar et l’efficacité d’un véto actif qui permet de supprimer une grande partie du fond neutron. La prochaine étape du programme DarkSide est la construction d’un détecteur multi tonne avec une grande sensibilité pour la détection des WIMPs.

    L’équipe JE2 du LabEx UnivEarthS travaille sur l’analyse des données DarkSide-50 et est leader dans les activités de simulation.

     

    Figure 2 Schema des trois détecteurs de DarkSide

    Figure 2 Schéma des trois détecteurs de DarkSide

     

    Le défi technologique de DarkSide-20k

    La prochaine phase du projet DarkSide consiste en la construction d’un détecteur pour la recherche de matière sombre avec une masse fiduciel de 20 tonnes d’argon liquide. Afin d’améliorer la sensibilité et de réduire le bruit de fond, le directeur sera équipé d’une nouvelle classe de photo-sensor : les «  Silicon Photomultiplier (SiPMs) arrays », qui remplaceront les photomultiplicateurs (PMTs) standard.

    Les SiPMs sont un ensemble de détecteurs au silicium basé sur le principe des photodiodes à avalanche (APD-avalanche photodiodes). La dimension d’un unique APD peut varier de 20 à 100 μm avec une densité pouvant aller jusqu’à 1000 mm-2. La capacité des SiPM à clairement identifier le photo-électron unique permettra d’étudier avec une grande précision la scintillation de l’argon liquide à basse énergie, ce qui est un élément clef pour la compréhension des données des détecteurs.

     

    Les SiPM présentent également d’autres avantages en les comparant avec des PMTs standards. Le « dark mois » est particulièrement réduit pour les SiPM à la température de l’argon liquide et peut être plus bas que celui des PMTs standards.  De plus, pour des SiPMs, la quantité de matériaux utilisés ainsi que leur pureté sont respectivement considérablement plus faibles et plus élevés que pour la construction des PMTs. Cela permet alors de sensiblement réduire la contamination neutron provenant des réactions (alpha,n), le bruit de fond le plus préjudiciable pour le programme DarkSide. Enfin, la taille limitée des SiPM permet également d’augmenter la masse active d’argon liquide dans la TPC augmentant ainsi la sensibilité pour la détection de matière sombre.

    L’équipe JE2 du LabEx UnivEarthS travaille à la caractérisation du comportement des SiPMs à la température de l’argon liquide.

     

     

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    POSITION NOM LABORATOIRE GRADE, EMPLOYEUR
    WP leader Davide Franco APC CR1/ CNRS
    WP membre Alessandra Tonazzo APC Professeur, Université Paris-Diderot
    WP membre Quentin Riffard APC Post-doc, Université Paris-Diderot
    WP membre Paolo Agnes Houston U. Post-doc, associé à l’APC

     

     

  • Pour aller plus loin, vous pouvez visiter ces pages :

    Page officielle du projet DarkSide : http://darkside.lngs.infn.it/

    Page du projet ARIS : http://aris.in2p3.fr/

     

    Le programme LabEx JE2 a été développé pour caractériser la réponse de l’argon liquide (LAr) aux bobines électroniques et nucléaires, dans la gamme d’énergie d’intérêt pour la recherche directe de matière noire. Les effets de scintillation, d’ionisation et de recombinaison des électrons ioniques sont, en fait, mal modélisés et représentent les principales sources de systématique dans les expériences sur la matière noire. Le rendement de scintillation de LAr dépend d’un double mécanisme : l’excitation directe des molécules d’argon, et la recombinaison entre électrons et ions, après ionisation de l’argon. Les deux processus mènent à un état excité de la molécule d’argon. L’énergie de recul des particules en interaction est ensuite estimée en comptant, avec des tubes photomultiplicateurs, l’ensemble des photons émis, suite à la désexcitation de l’argon. Le signal WIMP est attendu à de très faibles énergies, quelques dixièmes de keV, dans une région où les modèles sont incapables de prédire la réponse de scintillation, et où les étalonnages avec des sources radioactives sont extrêmement difficiles.

    Les modèles de scintillation les plus accrédités sont le « Thomas-Imel » et le « Doke’s modified Birks’ law ». Les deux sont basés sur la même physique de recombinaison des électrons et des ions, mais avec des descriptions différentes régies par des limites à court ou à long terme.
    Malheureusement, aucun d’entre eux, à lui seul, n’est capable de prédire l’efficacité de scintillation primaire à basse énergie dans LAr. Un modèle capable de décrire avec précision les effets de scintillation, d’ionisation et de recombinaison dans LAr, en présence de champs électriques, est d’un grand impact de la recherche de matière noire, en augmentant la sensibilité et en améliorant la conception des futurs détecteurs.

    Le programme LabEx JE2 a été développé sur deux branches principales :

    1. construction d’un modèle de réponse LAr basé sur les données de DarkSide-50
    2. mesure des propriétés de LAr avec un TPC à petite échelle exposé à des faisceaux de neutron/gamma

    Les deux objectifs principaux du programme JE2 ont été atteints avec succès, avec un grand impact sur le champ de recherche de la matière noire. De plus, l’équipe de JE2 a exploité le G4DS/PARIS pour démontrer la puissance exceptionnelle d’un très grand LAr TPC à deux phases dans le secteur des neutrinos solaires (D. Franco et al, JCAP 1608 (2016) 8, 017) et travaille actuellement sur l’évaluation de la sensibilité aux neutrinos supernova.

    Comme objectif supplémentaire, le LabEx JE2 a organisé et partiellement financé la première « Journée de la matière noire en France », qui s’est tenue à APC, la première initiative visant à fédérer la communauté de recherche sur la matière noire en France. La réunion a été un succès en termes de nombre de participants et de discussions, et il a été décidé de la répéter chaque année. Cette année, elle se tiendra au LPNHE.

     

     

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    Official DarkSide webpage: http://darkside.lngs.infn.it/

     

    DarkSide Collaboration
    The Electronics, Trigger and Data Acquisition System for the Liquid Argon Time Projection Chamber of the DarkSide-50 Search for Dark Matter
    Journal of Instrumentation Dec. 2017, vol.12, no.12, P12011 (23 pp.). DOI: 10.1088/1748-0221/12/12/P12011

    DarkSide Collaboration,
    DarkSide-20k: A 20 Tonne Two-Phase LAr TPC for Direct Dark Matter Detection at LNGS
    2017, arXiv:1707.08145, submitted to Physics Letters B

    DarkSide Collaboration
    Simulation of argon response and light detection in the DarkSide-50 dual phase TPC,
    october 2017, JINST, arXiv:1707.05630

    D. Franco and N. Saviano,
    Particle Physics in the Cosmos
    Proceeding of Science NOW2016 (2017) 095

    DarkSide Collaboration,
    CALIS – a CALibration Insertion System for the DarkSide-50 dark matter search experiment
    Journal of Instrumentation Dec. 2017, vol.12, no.12, T12004 (19 pp.). ISSN: 1748-0221 (print), Publisher: IOP Publishing Country of Publication: UK DOI: 10.1088/1748-0221/12/12/T12004

    DarkSide Collaboration,
    Effect of Low Electric Fields on Alpha Scintillation Light Yield in Liquid Argon
    2017 JINST 12 P01021 DOI: 10.1088/1748-0221/12/01/P01021

    DarkSide Collaboration,
    DarkSide-20k: A 20 Tonne Two-Phase LAr TPC for Direct Dark Matter Detection at LNGS

    arXiv:1707.08145 (2017)

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