Search for light dark matter with DAMIC-M experiment
Recherche de matière noire légère avec l’expérience DAMIC-M
Résumé
DAMIC-M (Dark Matter in CCDs at Modane) is a near-future experiment that aims at searching for low-mass dark matter particles through their interactions with silicon atoms in the bulk of charge-coupled devices(CCDs). Pioneer in this technique was the DAMIC experiment at SNOLAB. Its successor, DAMIC-M, will have a detector mass 17 times larger and will employ a novel CCD technology (skipper amplifiers) to achieve sub-electron readout noise. Strengthened by these characteristics, DAMIC-M will reach unmatched sensitivity to the dark matter candidates of the so-called hidden sector. A challenging requirement is to control the radiogenic background down to the level of a fraction of events perkeV per kg-day of target exposure. To meet this condition, Geant4 based simulations are being utilized to optimize the detector design, drive the material selection and handling, and test background rejection techniques. Furthermore, precise measurements were carried out with skipper CCDs to characterize the spectrum of Compton scattered electrons, which represent a dominant source of environmental background at low energy. This thesis focuses on the explored detector designs, the corresponding predicted background, and the strategies implemented for its mitigation and characterization.
DAMIC-M (Dark Matter in CCDs at Modane) est une expérience en cours de développement qui aura pour objectif de détecter des particules de matière noire de faible masse grâce à l’interaction de ces dernières avec les atomes de silicium qui composent des capteurs photographiques CCDs. DAMIC à SNOLAB a été la première expérience à utiliser cette technologie pour la recherche de matière noire. Son successeur, DAMIC-M, aura une masse de détection 17 fois plus grande et utilisera une nouvelle technologie CCD (amplificateurs skipper) pour obtenir un bruit de lecture inférieur à un électron. Ces caractéristiques permettront à DAMIC-M d’atteindre une sensibilité inégalée aux candidats matière noire du «hidden sector» . Unetelle sensibilité requiert un excellent contrôle du bruit de fond radiogénique, il doit en effet être contraint au niveau d’une fraction d’évènement par keV par kg-jour d’exposition.Pour répondre à cette exigence, des simulations Geant4 sont utilisées pour optimiser la conception du détecteur, piloter la sélection et la manipulation des matériaux et tester les techniques de rejet du bruit de fond.De plus, afin de caractériser le spectre d’électrons diffusés par diffusion Compton, qui représentent une source dominante de bruit de fond à basse énergie, des mesures ont été réalisées avec des CCD skipper. Cette thèse se concentre sur les différentes configurations de détecteur testées, l’estimation du bruit de fond associé ainsi que sur les différentes stratégies mises en œuvre pour la caractérisation et l’atténuation de celui-ci.
Origine : Version validée par le jury (STAR)