Recherche de matière noire légère et exploration du secteur caché avec les dispositifs à transfert de charges de DAMIC à SNOLAB et DAMIC-M

L'existence dans l’Univers de matière non baryonique électromagnétiquement inerte est étayée par une pléthore d'observations astrophysiques et cosmologiques. Ainsi, la matière noire devrait représenter plus de 80 % de la masse de l'Univers. Un vaste bestiaire de particules candidates a été théorisé, le paradigme des particules massives à interaction faible (WIMP) dominant le paysage. Les efforts expérimentaux des dernières décennies n'ont pas réussi à détecter les WIMP pour des masses entre 10 et 10^4 GeV/c2, motivant ainsi la recherche de matière noire plus légère. Les expériences DAMIC (DArk Matter In CCDs) visent à la détection directe de WIMP légers et de candidats du secteur caché au moyen de dispositifs à transfert de charges (CCD) en silicium épais. Le détecteur DAMIC de SNOLAB ~40 g se trouve sous un mort-terrain rocheux de 2070 m dans la mine de Vale Creighton au Canada. Ses CCD se caractérisent par un bruit de lecture de l’ordre d’un électron, un courant de fuite minimal (~1E-4 e-/pixel/jour) et une excellente résolution spatiale (~15 µm). Le détecteur DAMIC-M, avec une masse de l’ordre de 1 kg, sera hébergé au Laboratoire Souterrain de Modane (LSM), à 1700 m sous le pic du Fréjus, en France. Ses capteurs CCD comportent des amplificateurs skipper, qui permettent une résolution d’une fraction d’électron en réalisant mesures non destructives des charges. L'objectif de minimisation du bruit de fond de DAMIC-M est de 0,1 dru (0,1 événement par keV-kg-jour), une amélioration de deux ordres de grandeur par rapport à l'installation de SNOLAB. Ce travail de thèse s'articule autour de deux grands thèmes : la construction du premier modèle de bruit de fond CCD complet dans le cadre de DAMIC à SNOLAB, et les efforts de recherche et développement vers les objectifs scientifiques de DAMIC-M, notamment avec le déploiement de son détecteur prototype, la Low Background Chamber (LBC). Le modèle de bruit de fond de DAMIC à SNOLAB est construit à partir de simulations GEANT4 des contaminations radioactives dans une géométrie virtuelle du détecteur. Les activités sont contraintes à partir des mesure de dosages effectuées sur les différents composants du détecteur. Par ailleurs, une technique d'analyse de coïncidence spatiale unique aux CCD est exploitée pour quantifier les isotopes primordiaux et cosmogéniques distribués sur la surface et dans la masse du CCD. Certaines des mesures effectuées de cette manière surpassent largement les méthodes de dosage les plus courantes. Le modèle de fond est utilisé pour rechercher des WIMP légers à partir d’un ensemble de données correspondant à une exposition de 11 kg-jour. Malgré un excès statistiquement significatif d'événements d’énergie inférieure à 200 eV, cette analyse place la limite d'exclusion la plus forte sur la section efficace de diffusion WIMP-nucléon indépendante du spin avec un détecteur cible en silicium pour masses < 9 GeV/c2. DAMIC-M est sur le point de franchir des étapes technologiques importantes vers ses objectifs scientifiques. Le déploiement de CCD skipper avec une électronique développée au LPNHE abaissera les seuils de détection à moins d’une dizaine d’eV, permettant simultanément une caractérisation plus précise du détecteur. Des cryostats de tests sont mis en place pour effectuer des évaluations systématiques des CCD et concevoir un processus de sélection pour DAMIC-M. Au LPNHE, un cryostat a également été utilisé pour la mise en service de l'instrumentation de l'expérience prototype LBC au LSM. La LBC à été mise en service fin 2021. Le bruit électronique (~10 e-) et le courant de fuite (~1E-3 e-/pixel/jour) élevés mesurés par rapport aux détecteurs de SNOLAB, mettent en évidence deux revers potentiels pour DAMIC -M. Malgré tout le premier ensemble de données scientifiques acquis avec les CCD skipper de la LBC (~ 20 g) permettent de définir des limites d'exclusion de classe mondiale sur la section efficace de diffusion de la matière noire sur les électrons.

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