Direct detection of dark matter with the EDELWEISS-III experiment : signals induced by charge trapping, data analysis and characterization of cryogenic detector sensitivity to low-mass WIMPs
Détection directe de matière noire avec l’expérience EDELWEISS-III : étude des signaux induits par le piégeage de charges, analyse de données et caractérisation de la sensibilité des détecteurs cryogéniques aux WIMPs de basse masse
Résumé
The EDELWEISS-III experiment is dedicated to direct dark matter searches aiming at detecting WIMPS. These massive particles should account for more than 80% of the mass of the Universe and be detectable through their elastic scattering on nuclei constituting the absorber of a detector. As the expected WIMP event rate is extremely low (<1/kg/year), a double measurement heat/ionization is performed to discriminate electronic recoils originating from _ and backgrounds and nuclear recoils induced by neutrons and WIMPs. The first part of the thesis work consisted in studying the signals induced by charge carrier trapping. An analytical model of its impact on both ionization and heat signals is presented. The model predictions, through their agreement with both data and a numerical simulation, lead to various applications : improvement of the resolutions, statistical sensitivity to energy deposit depths, characterization of trapping within the crystals. The analysis of the Run308 data is detailed and its results are interpreted in terms of an exclusion limit on the WIMP-nucleon cross section (SI). This study brings to light the presence of a limiting neutron background for high mass WIMP searches (>20GeV). Finally, a study dedicated to the optimization of solid cryogenic detectors to low mass WIMP searches is presented. This study is performed on simulated data using a statistical test based on a profiled likelihood ratio that allows for statistical background subtraction and spectral shape discrimination. This study combined with results from Run308, has lead the EDELWEISS experiment to favor low mass WIMP searches (<20GeV)
L'expérience EDELWEISS-III est dédiée à la détection directe de matière noire sous forme de WIMPs. Ces particules massives devraient constituer plus de 80% de la masse de l'univers et être détectables via leur diffusion élastique sur un noyau de l'absorbeur d'un détecteur. Le taux d'événements WIMPs attendu étant très faible (<1/kg/an) , une méthode de double mesure chaleur/ionisation est réalisée afin de discriminer les reculs électroniques issus du fond et , des reculs nucléaires engendrés par les neutrons et WIMPs. Le travail de thèse a consisté en l'étude des signaux induits par le piégeage de charges. Un modèle analytique de son impact sur les signaux des voies ionisation et chaleur est présenté. Les prédictions du modèle, confortées par leur accord avec les données et une simulation numérique, ont donné lieu à diverses applications : amélioration des résolutions, sensibilité à la profondeur des dépôts d'énergie, caractérisation du piégeage de charges dans les cristaux. L'analyse des données du Run308 est détaillée et les résultats interprétés en terme de limite d'exclusion. Cette analyse a mis au jour la présence d'un bruit de fond neutron limitant pour la recherche de WIMPs de haute masse (>20GeV). La dernière partie est consacrée à une étude de l'optimisation des détecteurs cryogéniques aux WIMPs de basse masse. Ce travail, réalisée via un test statistique de rapport de vraisemblance profilé, a permis d'étudier l'influence des divers paramètres expérimentaux sur le potentiel d'exclusion. Les conclusions de cette analyse, conjointement aux résultats du Run308, ont mené l'expérience EDELWEISS à privilégier la recherche de WIMPs de basse masse (<20GeV)
Origine : Version validée par le jury (STAR)