Scintillateurs cryogéniques pour la détection d'événements rares, dans les expériences EDELWEISS et EURECA

Cryogenic scintillators for rare events detection in the EDELWEISS and EURECA experiments

• Auteur / Autrice : Marc-Antoine Verdier
• Direction : Philippe Di Stefano, Jules Gascon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des Particules
• Date : Soutenance le 08/10/2010
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique Nucléaire de Lyon
• Jury : Président / Présidente : Christophe Dujardin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Thers, Hans Krauss
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Etiennette Auffray Hillemanns, Chiara Brofferio

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas, Astrophysique des

Spectroscopie en phase gazeuse

Matière noire (astronomie)

Mots clés libres

Matière noire

Scintillation

Basse température

Détection directe

Bgo

BaF2

Al2O3

Dark matter

Scintillation

Low temperature

Direct detection

Bgo

Résumé

Une solution au problème astrophysique de la matière sombre pourrait être apportée par la détection de WIMPs, particules prédites par la supersymétrie. Sa détection directe nécessite de grandes masses de détecteurs capables d'identifier le signal d'un WIMP parmi le fond radioactif et cosmique environnant. Cette thèse se déroule dans le cadre de l'expérience EDELWEISS et la future expérience EURECA qui lui succédera. Ces expériences utilisent une technologie basée sur des détecteurs cryogéniques (bolomètres) à double voies, fonctionnant à quelques dizaines de mK. Ils sont constitués de cristaux qui sont le siège des interactions des particules, dont les dépôts d'énergie vont entraîner une élévation de température ainsi que l'ionisation du cristal, pouvant entraîner des charges ou des photons selon sa nature. Afin d'augmenter la palette de cibles pouvant faire office de bolomètres scintillants, nous avons mis en place un dispositif expérimental permettant d'étudier la scintillation de cristaux refroidis jusqu'à 3 K. Il est basé sur un cryostat à géométrie optique compacte permettant une collecte de lumière améliorée. Une méthode de comptage de photons individuels ainsi qu'un traitement statistique des données permettent de mesurer l'évolution du rendement lumineux et des constantes de temps de scintillation de cristaux entre la température ambiante et 3K. Cette thèse présente ainsi les résultats obtenus à 3 K avec ce dispositif expérimental sur deux cristaux, bien connus à température ambiante: le BGO (Bi4Ge3O12) et le BaF2. Nous présentons également les résultats sur la luminescence du saphir dopé au titane (Ti:Al2O3), sous VUV et refroidi à 8 K.

A solution to the dark matter problem in astrophysics could be found by the detection of WIMPs, particles predicted by supersymmetry. Its direct detection requires a large mass of detectors, able to identify WIMPs in the background of natural radioactivity and cosmic rays. This thesis takes place within the framework of the EDELWEISS and the future EURECA experiments. These experiments use a technology based on two channel cryogenic detectors (bolometers), working at a few tens of mK. They are made of crystals in which the energy deposited by particle interactions will produce a temperature increase (phonon signal), and where the ionization of the crystals results in either a charge or photon signal, depending on their nature. In order to broaden the range of targets for scintillating bolometers, we have built a setup to study the scintillation of crystals cooled down to 3 K. It is based on a cryostat with a compact optical geometry allowing enhanced light collection. Thanks to an individual photon counting technique and a statistical treatment of data, it allows us to measure the evolution of the the light yields and the decay time components between room temperature and 3 K. Thus this thesis presents the results obtained at 3 K on two well known room temperature crystals: BGO (Bi4Ge3O12) and BaF2. We also study the luminescence properties of titanium sapphire (Ti:Al2O3), under VUV excitation cooled down to 8 K.