Published February 5, 2021 | Version v1
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Dark matter search and neutrino physics in Liquid Argon

Description

Several astrophysical observations, both on a galactic and cosmological scales, showing that there is a 'missing mass' in the observable Universe, can be explained assuming a non-luminous kind of matter, hence called 'dark matter'. One of the most promising candidates is the Weakly Interacting Massive Particle (WIMP), a non-relativistic massive particle, gravitationally and weakly interacting with baryonic matter. The present work is specifically focused on the physics potential besides WIMP search of dark matter detectors filled with Liquid argon, like DarkSide and DEAP-3600. Liquid argon is an optimal target thanks to its high scintillation and ionization yields. DEAP-3600 is a single-phase detector, exploiting the scintillation channel only, while DarkSide-20k and Argo, future tonne scale experiments from the DarkSide program, are dual-phase Time Projection Chambers (TPCs), looking at both scintillation and ionization signals. The large mass (3.3 tons) of the DEAP-3600 target has allowed me to perform an analysis to search for Multi Interacting Massive Particles (MIMPs), a dark matter candidate alternative to WIMPs, at masses above 1016 GeV and with argon-dark matter spin-independent cross-section of about 10-22 cm2, fully setting up the upcoming unblinding of three years of data taking. Going from the present to the future dark matter detectors, DarkSide-20k and Argo will be characterized by an extraordinary sensitivity at low energy recoils. This is mainly consequence of the high energy resolution of the chosen photodetectors, Silicon Photomultipliers (SiPMs). Custom SiPMs have been designed for the dark matter search in DarkSide-20k; hence, SiPMs have been here characterized, with a focus on their correlated noises, namely afterpulses and optical cross-talks. The same sensitivity at low energy brings also to a strong potential in detecting supernova neutrinos via coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CEvNS) in argon by exploiting the ionization signal. The related sensitivity study is here performed showing that the neutrino emission will be detected for any galactic supernova, with a good accuracy in reconstructing the main parameters of the burst, namely the total energy of neutrinos and their average energy. (author)

Abstract (French)

Plusieurs observations astrophysiques, tant galactique que cosmologique, montrant qu'il y a une 'masse manquante' dans l'Univers observable, peuvent etre expliquees en supposant une matiere non lumineuse, donc appelee 'matiere noire'. L'un des candidats les plus prometteurs est le Weak Interacting Massive Particle (WIMP), une particule massive non relativiste, capable d'une interaction gravitationnelle et d'une interaction faible avec la matiere baryonique. Le present travail est axe sur le potentiel physique en plus de la recherche des WIMPs des detecteurs de matiere noire remplis d'argon liquide, comme DarkSide et DEAP-3600. L'argon liquide est une cible optimale grace a ses rendements eleves de scintillation et d'ionisation. DEAP-3600 est un detecteur monophasique qui exploite uniquement le canal de scintillation, tandis que DarkSide-20k et Argo, les futures experiences a l'echelle des tonnes du programme DarkSide, sont des chambres de projection temporelle (TPCs) biphasiques qui examinent les signaux de scintillation et d'ionisation. La grande masse (3.3 tonnes) de la cible de DEAP-3600 a permis d'effectuer une analyse pour rechercher des Multi Interacting Massive Particles (MIMPs), une possible alternative aux WIMPs, a des masses superieures a 1016 GeV et avec une section efficace independante du spin matiere noire-argon d'environ 10-22 cm2. Ce travail est la phase preparatoire a l'ouverture de 3 annees de collection de donnees. Du present aux futurs detecteurs de matiere noire, DarkSide-20k et Argo seront caracterises par une sensibilite extraordinaire aux faibles reculs d'energie. Ceci est principalement la consequence de la haute resolution energetique des photodetecteurs choisis, les photomultiplicateurs de silicium (SiPMs). Les SiPMs personnalisees ont ete fabriques pour la recherche de la matiere noire dans DarkSide-20k; par consequence, les SiPMs ont ete ici caracterisees, avec un accent sur leurs bruits correles: les afterpulses et les optical crosstalks. La meme sensibilite a basse energie apporte egalement un fort potentiel de detection des neutrinos de supernova par coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CEvNS) dans l'argon en exploitant le signal d'ionisation. L'etude de sensibilite correspondante est ici realisee et il montre que l'emission de neutrinos sera detectee pour toute supernova galactique, avec une bonne precision dans la reconstruction des principaux parametres de l'eclatement, c'est-a-dire l'energie totale des neutrinos et leur energie moyenne. (auteur)

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Original title (English)
Recherche de matiere noire et physique des neutrinos dans l'argon liquide

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Imprint Pagination
278 p.
Report number
FRNC-TH--13379

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Notes
351 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses