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

Stage numéro : M2-2021-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, 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 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 2024. 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 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.

Ces études pourront être approfondies dans le cadre d'une thèse.


-------------------

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 Interactive 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 50 tons of highly purified argon, allowing 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 internship is to participate to the analysis of the data from this prototype, which is a crucial step to validate the concepts used for the final experiment.

As only a few events are foreseen per year and per liquid argon ton, a drastic reduction of the background and a very good knowledge of the signal are crucial. This can be achieved thanks to radioactive sources mimicking the signal and the background. The analysis of the prototype data will thus allow to shape more precisely the final detector, and will allow the student to get more familiar with the experimental problematic. In addition, the circulation of the radioactive sources around DarkSide-20k is in preparation at CPPM, so the student will be able to participate to the realization of a mockup that will allow to finalise the detector concept.

This project could be continued as part of a PhD thesis.