Étude d’un détecteur sphérique gazeux pour la recherche d’événements rares à bas seuil en énergie

Study of a spherical gaseous detector for research of rare events at low energy threshold

• Auteur / Autrice : Ali Dastgheibi Fard
• Direction : Ioannis Giomataris, Gilles Gerbier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 31/10/2014
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Noyaux, Cosmos (Paris ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service d'électronique des détecteurs et d'informatique (Saclay) - Laboratoire souterrain de Modane (Savoie ; 1981-2018)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Puzo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ioannis Giomataris, Gilles Gerbier, Patrick Puzo, Fabrice Piquemal, José Busto, Ilias Savvidis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Piquemal, José Busto

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière noire (astronomie)

Chambres à fils

Chambres à projection temporelle (physique)

Mots clés libres

Détecteur gazeux sphérique

Compteur proportionnel sphérique

Matière noire légère

WIMP basse-masse

Événements rares

SEDINE

Spherical gaseous detector

Spherical proportional counter

Light Dark Matter

Light WIMP

Rare events

SEDINE

Résumé

Le détecteur proportionnel sphérique gazeux, SPC (Spherical Proportional Counter), est un nouveau concept de détecteur de particules. Ses principales caractéristiques sont : un seuil très bas en énergie indépendant du volume (faible capacité électronique), une bonne résolution en énergie, une grande robustesse et une seule voie de lecture. SEDINE, un détecteur bas bruit de fond, destiné à la recherche de matière noire légère, a été fabriqué et installé au Laboratoire Souterrain de Modane. Il est actuellement opérationnel et vise à mesurer les évènements rares à bas seuil en énergie. La sensibilité dans la détection d’événements rares étant à basse énergie directement corrélée au niveau du bruit de fond du détecteur, la diminution du seuil en énergie ainsi que celle du bruit de fond ont été la problématique principale de cette thèse. Un effort important a été consacré à la mise en opération du dispositif expérimental. Plusieurs paramètres de détection ont été optimisés : homogénéité du champ électrique dans le volume de l’enceinte, tenue aux étincelles, niveau du bruit de fond électronique et l’étanchéité du détecteur. Le détecteur a été optimisé pour assurer un fonctionnement avec un gain stable à haute pression. La modification du blindage, les nettoyages de l’enceinte du détecteur et l’ajout d’une tente anti-Radon ont permis de réduire significativement le bruit de fond de SEDINE. Les progrès accomplis ont permis d’augmenter la sensibilité du détecteur à basse énergie à une valeur comparable, pour des WIMPs à basse masse, aux autres expériences de recherche souterraines. Nous présentons donc des résultats avec un bruit de fond mesuré, dans la région du keV, qui nous permet de donner une figure d’exclusion compétitive pour la production de la matière noire légère.

The Spherical gaseous detector (or Spherical Proportional Counter, SPC) is a novel type of a particle detector, with a broad range of applications. Its main features in- clude a very low energy threshold which is independent of the volume (due to its very low capacitance), a good energy resolution, robustness and a single detection readout channel. SEDINE, a low background detector installed at the underground site of Laboratoire Souterrain de Modane is currently being operated and aims at measuring events at a very low energy threshold, around 40 eV. The sensitivity for the rare events detection at low energy is correlated to the detector background and to the decreasing the level of energy threshold, which was the main point of this thesis. A major effort has been devoted to the operating of the experimental detector. Several detection parameters were optimized: the electric field homogeneity in the sphere, keeping clear of sparks, the electronic noise level and the leak rate of the detector. The detector is optimized for operation with a high pressure stable gain. The modification of the shield, cleanings of the detector and the addition of an anti-Radon tent have significantly reduced the background of SEDINE. Progress has increased the sensitivity of the detector at low energy up to a value comparable to the results other underground research experiences for the low mass WIMPs. We will present the results with a measured background in the region of keV, which has allowed us to show a competitive figure of exclusion for the production of light dark matter.