Recherche directe de Matière Noire avec le détecteur DarkSide-20k

Stage numéro : M2-1920-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
Responsable de stage :Fabrice Hubaut - 04 91 82 72 51 - hubaut@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 Interactive 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 émise lors de la diffusion d’un WIMP sur un atome de liquide noble - argon ou xénon. L’expérience DarkSide-20k, située 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 remplie de 50 tonnes d’argon, lui permettant d’avoir l’une des meilleures capacités de découverte des WIMPs au niveau mondial.

La prise de données devrait commencer en 2023. La phase actuelle est consacrée à la réalisation et l’exploitation d’un prototype, de taille réduite par rapport au détecteur final, mais contenant la technologie qui sera utilisée pour DarkSide-20k. Ce stage propose de participer à l’analyse des données de ce prototype, étape essentielle pour valider les concepts utilisés pour le détecteur final.

Quelques évènements seulement étant attendus par an et par tonne d’argon liquide, une réduction drastique du bruit de fond et une très bonne connaissance du signal obtenu sont cruciales. Cela peut être obtenu grâce à des sources radioactives imitant le signal et le bruit de fond. Dans ce cadre, l’analyse des données du prototype, dont la prise de données est actuellement en cours au CERN à Genève, permettra de mieux préciser les contours du détecteur final et à l’étudiant(e) de se familiariser avec les problématiques de recherche rencontrées par l’expérience. En outre, la circulation des sources radioactives autour de DarkSide-20k est également en préparation au CPPM et l’étudiant(e) pourra participer à la réalisation d’une maquette permettant de finaliser la conception du détecteur final.