Recherche directe de Matière Noire avec le détecteur DarkSide-20k / Direct search for Dark Matter with the DarkSide-20k experiment

Stage numéro : Doctorat-2124-DS-01
Laboratoire :Centre de Physique des Particules de Marseille Case 902
 163 avenue de Luminy - 13288 Marseille Cedex 9
Directeur :Cristinel Diaconu - 04.91.82.72.01 - diaconu@cppm.in2p3.fr
Correspondant :William Gillard - 04.91.82.72.67 - gillard@cppm.in2p3.fr
Groupe d'accueil :DarkSide
Chef de groupe :Fabrice Hubaut 04.91.82.72.51 - hubaut@cppm.in2p3.fr
Directeur de thèse :Fabrice Hubaut, Isabelle Wingerter-Seez - 04 91 82 72 51 - hubaut@in2p3.fr, wingerter-seez@cppm.in2p3.fr

Thématique : Physique des particules

La matière noire est une des grandes énigmes actuelles de la physique fondamentale. En effet, sa contribution à la masse totale de l’Univers est de 85% mais elle ne peut être expliquée dans le cadre du Modèle Standard de la physique des particules (MS). Plusieurs candidats existent pourtant dans les théories au-delà du MS : c’est le cas du WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), un des candidats les mieux motivés car il permet de résoudre le problème de stabilité de la masse du boson de Higgs dans le MS.

Si la masse du WIMP est O(100) GeV, il a une densité compatible avec les observations cosmologiques. Les expériences recherchant la matière noire utilisent ainsi le halo de notre galaxie comme source potentielle de WIMPs. Depuis 2010, la technologie de détection la plus performante repose sur la mesure de la lumière de scintillation qui serait émise lors de la diffusion d’un WIMP sur un atome de liquide noble - argon ou xénon. L’expérience DarkSide-20k, qui sera installée à 2 km sous terre au laboratoire du Gran Sasso en Italie, est la deuxième génération de détecteurs à argon liquide. Elle utilisera une cuve cubique de 8 m de côté remplie de 50 tonnes d’argon, lue par 200 000 photomultiplicateurs au Silicium. Cela lui permet d’avoir l’une des meilleures capacités de découverte des WIMPs au niveau mondial. La prise de données devrait commencer en 2024. La phase actuelle est consacrée à la réalisation et l’exploitation d’un prototype au CERN, de taille réduite par rapport au détecteur final, mais équipé de la même technologie que DarkSide-20k.

Le sujet de cette thèse est d’effectuer une calibration précise du détecteur afin d’optimiser l’analyse des premières données. Un premier axe consistera à participer à la mise en place et à l’exploitation du système de calibration conçu au CPPM, basé sur des sources radioactives imitant le signal et le bruit de fond. En parallèle, l’étudiant(e) améliorera les algorithmes de reconstruction des données en utilisant des techniques basées sur l’intelligence artificielle (e.g. réseaux de neurones), afin d’optimiser la séparation du signal et du bruit de fond. Ces activités apportent une formation complète en physique des particules, incluant les aspects instrumentaux, software et analyse de données. Elles seront intégrées à la préparation des premières prises de données scientifiques prévues en 2024.

Dans ce cadre l’étudiant sera amené à effectuer des séjours au CERN at au Gran Sasso.

Plus de détails sur le groupe Matière Noire du CPPM : https://www.cppm.in2p3.fr/web/fr/recherche/physique_particules/#Mati%C3%A8re%20Noire


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Dark matter is today one of the main puzzles in fundamental physics. Indeed, its contribution to the total mass of the Universe is 85%, but it cannot be explained in the framework of the Standard Model (SM) of particle physics. Several candidates exist in theories beyond the SM, and the WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) is one of the best motivated of these candidates, as it allows to also solve the SM hierarchy problem (stability of the Higgs boson mass).

If the WIMP mass is O(100) GeV, its density in the Universe is compatible with cosmological observations. Experiments searching directly for dark matter thus use our galaxy halo as a potential source of WIMPs. Since 2010, the most sensitive technology is based on the measurement of the scintillation light from the scattering of a WIMP on a liquid noble atom – argon or xenon. The DarkSide-20k experiment, which will be installed 2 km underground in the Gran Sasso laboratory in Italy, is the second generation of liquid argon detectors. It will use a cubic cryostat of 8 m side filled with 50 tons of highly purified argon, read out by 200,000 silicon photomultipliers. This allows to have a world leading discovery potential for WIMPs. The data taking should start in 2024. The actual work is dedicated to the realization and the exploitation of a prototype, of reduced size compared to the final detector but using all technologies foreseen for DarkSide-20k.

The goal of this thesis is to perform a precise calibration of the detector to optimize the first data analysis. A first axis will consist in participating to the set-up and the exploitation of the calibration system designed at CPPM, based on radioactive sources mimicking signal and backgrounds. In parallel, the student will improve data reconstruction algorithms by using artificial intelligence techniques (e.g. neural networks), to optimize the separation between signal and backgrounds. These activities bring a complete education in particle physics, including instrumental aspects, software and data analysis. They will be integrated to the preparation of the first scientific data takings foreseen in 2024.

In this framework, the student will have to do stays at CERN and Gran Sasso.

More details about the CPPM Dark Matter team : https://www.cppm.in2p3.fr/web/en/research/particle_physics/#Dark%20Matter