Etude de propriétés de particules supersymetriques et développements d’une Chambre à Projection Temporelle pour l’ILC (International Linear Collider)

Searches for Dark Matter particules and development of a pixellized readout of the Time Projection Chamber for the International Linear Collider (ILC)

• Auteur / Autrice : Andrii Chaus
• Direction : Maxim Titov, Jenny List
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 03/11/2014
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Noyaux, Cosmos (Paris ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Deutsches Elektronen-Synchrotron - Département de physique des particules (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Achille Stocchi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maxim Titov, Jenny List, Achille Stocchi, Ties Behnke, Marc Winter, Roman Pöschl
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Klaus Desch, Ties Behnke

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chambres à projection temporelle (physique)

Détecteurs à semiconducteurs

Collisionneurs linéaires

Mots clés libres

InGrid

Détecteurs de gaz Micro-pattern

Micromegas

Octopuce

Matière noire

WIMPs

ILC

TPC

InGrid

Micro-pattern gas detectors

Micromegas

Octopuce

Dark Matter

WIMPs

ILC

TPC

Résumé

Le collisionneur linéaire international (ILC) est prévu pour être le prochain grand projet de la physique des hautes énergies. ILC est proposé avec deux détecteurs, International Large Detector (ILD), et Silicon Detector (SID). Cette thèse s’est déroulée dans le cadre de l'ILD. L'un des principaux composants du détecteur ILD est la chambre à projection temporelle (TPC). Cette thèse se concentre sur le développement de la lecture de la TPC, basée sur l'intégration des détecteurs de gaz Micro-pattern (Micromegas) et de puces CMOS pixels ("Timepix"). Ce nouveau type de dispositif est appelé "Ingrid". Les exigences principales pour "Ingrid" sont d’atteindre la sensibilité aux électrons uniques et d’obtenir une très haute résolution spatiale (~ 30 µm). Avec une TPC, on reconstruit les traces en utilisant le profil 2D des charges sur la plaque a l’extrémité de la TPC et la troisième coordonnée est dérivée du temps de dérive. Dans le cadre de cette thèse, une mini-TPC a été construite a Saclay dans le but de tester plusieurs prototypes de détecteurs "Ingrid". En outre, un système compose de 8 puces nommé "Octopuce" a été construit pour développer des algorithmes de reconstruction de traces. Nous avons effectué plusieurs mesures à l'aide de source radioactive à Saclay. Par ailleurs, de grands modules ont été testés avec un prototype de grande TPC (LP) sur un faisceau de test à DESY. Les résultats obtenus avec deux modules différents ont été présentés et les résultats sont en bon accord avec la prédiction théorique. La présence de la matière noire fournit une bonne indication d'apparition de nouveaux phénomènes a proximité de l'échelle électrofaible, et l'hypothèse populaire d’existence des WIMP doit être testé. Comme les couplages des WIMP aux différentes espèces de particules du modèle standard sont a priori inconnus, la recherche de la production de WIMP en collisions e+e- est complémentaire à la production dans les collisions pp ou a la détection directe de WIMPs primordiaux par leur diffusion sur des nucléons. Dans ce travail, nous étudions possibilité de découverte (ou l'exclusion) de production de paires de WIMPs avec l’ILC. Dans ce processus, un unique photon est rayonne dans l'état initial et une énergie manquante est requise. Nous montrons que l’ILC peut découvrir cette signature, même si l'annihilation en paires électron-positon contribue faiblement au taux d’annihilation de la matière noire dans l'univers primordial. Nous avons traduit la sensibilité en terme d’échelles de masse pour différents types d’opérateurs effectifs et montré que la masse et les couplages des WIMPs peuvent être mesurés avec une précision de l’ordre de 1% si leur détection est avérée. En outre, des études de production de WIMPs avec l’ILC sont complémentaires aux études avec des états finaux mono-X au LHC, car ils testent le couplage WIMP-lepton. Au LHC, le couplage WIMP-proton est testé a une l'échelle de 1 TeV. Avec l’ILC, en utilisant une luminosité intégrée de 500 fb⁻¹, une énergie dans le centre de masse de √s = 500 GeV et avec des faisceau non polarisés, une limite pour l’échelle sur l'interaction de contact Λ de l’ordre de 2 TeV est accessible. De plus, les configurations de polarisation appropriées permettent d'améliorer la sensibilité pour les recherches de matière noire à l’ILC, en supposant que le couplage des paires de WIMP aux électrons et aux positons dépend du choix de l'opérateur.

The International Linear Collider (ILC) is planned to be the next major project in the High Energy Physics. ILC is proposed to have two detectors, namely International Large Detector (ILD), and Silicon Detector (SiD). This thesis is done in the framework of the ILD. One of the main components of the ILD detector is the Time Projection Chamber (TPC). This PhD thesis concentrates on the development of TPC readout, based on integration of the Micro-pattern gas detectors (Micromegas) and CMOS pixel chips ("Timepix"). This new type of device is named "InGrid". Main requirements for "InGrid" is to achieve sensitivity to single electrons and a very high spatial resolution (~30 μm). In TPC one reconstructs tracks using 2D-charge profile on the TPC endplate and the third coordinate is derived from the drift time information. In Saclay mini-TPC was built. Using this mini-TPC, several prototype "Ingrid" detectors have been tested in the course of this PhD. In addition, 8-chips system named “Octopuce” was built to develop track reconstruction algorithms. We have performed several measurements using laboratory radioactive source in Saclay. In addition, the large modules were tested at a Large TPC Prototype (LP) in a test beam area at DESY. Results with two different modules were presented. Obtained results well agreed with theoretical prediction. The existence of Dark Matter provides a strong indication for the appearance of new phenomena near the electroweak scale, and the popular WIMP hypothesis is out there to be tested. Since the couplings of WIMPs to different species of Standard Model particles are a priori unknown, the investigation of WIMP production in e+e- collisions is fundamentally complementary to production in pp collisions or direct detection of primordial WIMPs scattering on nucleons. In this work we investigate the discovery (or exclusion) reach of the ILC based on the production of a pair of WIMPs, which recoils against an energetic photon from initial state radiation. We show that the ILC can discover this signature even if annihilation to electrons provides only a small fraction of the total dark matter annihilation rate in the early universe. We translated the sensitivity into mass scales of various effective operators and showed that the WIMPs mass and couplings can be measured at the percent level in case of an observation. Furthermore, WIMPs studies on ILC are complementary to current LHC in the mono-X final states, because they test WIMP-lepton coupling. LHC studies WIMP-proton coupling at the scale of 1 TeV. ILC could reach limits up to 2 TeV on the contact interaction scale Λ for the vector operator by using an integrated luminosity at 500 fb⁻¹, at the center-of-mass √s = 500 GeV with unpolarized beams. Moreover, proper polarization configurations allows to improve sensitivity for the Dark Matter searches at the ILC, assuming WIMPs pair couple differently to electron and positron for different operators.