Study of Backgrounds in Liquid Argon Dark Matter Detectors: Characterization, Mitigation, and Novel Rejection Techniques within the Global Argon Dark Matter Collaboration

En las últimas décadas, se ha establecido firmemente que el 85% de la materia en el universo es no bariónica y no interactúa con la radiación electromagnética, lo que significa que ni emite ni absorbe luz [1]. Esta esquiva ”materia oscura” sigue siendo uno de los misterios con más incertidumbre y potenciales respuestas en la física de partículas y la cosmología. Una hipótesis predominante en la física de partículas sugiere<br />que la materia oscura está compuesta por Partículas Masivas de Interacción Débil (WIMPs, por sus siglas en inglés), reliquias del Big Bang con masas que van desde aproximadamente ~ 1 GeV/c2 hasta ~ 10TeV/c2. Para describir las observaciones astronómicas, estas partículas deberían formar halos que, a su vez, jugarían un papel crucial en la formación y evolución de las galaxias.<br />Las partículas del Modelo Estándar no coinciden con el perfil esperado de las WIMPs, lo que convierte la búsqueda de nuevas partículas en un objetivo crucial en la física de partículas moderna. En los últimos años, numerosos experimentos han intentado probar la existencia de estas partículas elusivas, con experimentos d detección directa que han logrado importantes avances en este campo. Estos esfuerzos se centran en observar la dispersión de las WIMPs, que se cree que existen en el halo galáctico de la Vía Láctea, sobre los núcleos de materia ordinaria dentro del detector objetivo.<br />Los elementos nobles, particularmente el argón y el xenón, son ideales para construir los detectores a gran escala requeridos para esta búsqueda. Estos experimentos han establecido los límites más estrictos en las interacciones de materia oscura para WIMPs con masas superiores a 5 GeV/c2, excluyendo varios modelos teóricos y alcanzando escalas de energía más allá de las exploradas por los experimentos actuales del LHC.<br />Gracias a su escalabilidad y el constante desarrollo técnico de la tecnología necesaria, los detectores con elementos nobles licuados están en una posición privilegiada para revelar las propiedades de estas partículas hipotéticas.<br />Los experimentos basados en argón, como DarkSide-20k (DS-20k) y DEAP-3600, aprovechan las propiedades excepcionales de este elemento como blanco, incluyendo sus excelentes capacidades de centelleo, alta movilidad electrónica y discriminación por forma de pulsos (PSD, por sus siglas en inglés) para una efectiva reducción de fondo.<br />El núcleo de mi tesis se centra en el estudio, la mitigación y la caracterización de los fondos en experimentos de búsqueda de materia oscura utilizando argón líquido.<br />El estudio de los fondos es un aspecto crítico en los experimentos de búsqueda de eventos raros, que requieren niveles de fondo excepcionalmente bajos para alcanzar sus objetivos físicos. A través del análisis de datos, simulaciones y operaciones de hardware, contribuí a varios experimentos y colaboraciones, impulsando el desarrollo de estas tecnologías de vanguardia desde múltiples perspectivas.<br />DarkSide-20k es una Cámara de Proyección Temporal (TPC, por sus siglas en inglés) de doble fase con un volumen activo de 50 toneladas de argón líquido (LAr), actualmente en construcción en el Hall C de los Laboratorios Nacionales del Gran Sasso (LNGS) del INFN en Italia. Este experimento está diseñado para operar durante al menos 10 a˜nos, apuntando a menos de 0.1 eventos de fondo en toda esta exposición<br />en la región de interés de las WIMPs dentro de un volumen fiducial de 20 toneladas.<br />Su objetivo es liderar las búsquedas de WIMPs de interacción independiente del espín en el rango de masas de 10 GeV/c2 a 100 TeV/c2 durante la próxima década. Con una exposición de 200 t×año, las sensibilidades proyectadas del análisis de volumen completo son 6.3 × 10−48 cm2 para la exclusión al 90% C.L. y 2.1 × 10−47 cm2 para el descubrimiento a 5σ de una WIMP de 1 TeV/c2.<br />El cálculo y la mitigación de los fondos son cruciales para todos los experimentos de búsqueda directa de materia oscura. Específicamente, el objetivo de DS-20k de lograr cero eventos de fondo durante 10 a˜nos de operación es vital para maximizar la sensibilidad del experimento, permitiendo explorar posibles señales de materia oscura con una precisión sin precedentes. Sin embargo, este objetivo presenta desafíos<br />significativos, ya que requiere un control riguroso sobre la contaminación radiactiva de los materiales del detector y la implementación de técnicas de discriminación de fondo altamente eficientes para distinguir las posibles interacciones de las WIMPs de otras<br />fuentes de fondo.<br />Mi contribución se centra en un estudio exhaustivo de las fuentes de fondo en DS-20k. Utilizando simulaciones de Monte Carlo con un modelo detallado del detector, analicé diversos posibles contribuyentes de fondo, identificando a los neutrones que se originan en las paredes del laboratorio como la fuente principal. Para mitigar esto, investigué la viabilidad de instalar un escudo de polietileno de alta densidad (HDPE,<br />por sus siglas en inglés) alrededor del recipiente de acero inoxidable, lo cual no estaba previsto en el dise˜no original del detector. En contraste, los rayos γ procedentes de las paredes del laboratorio producen una tasa de fondo despreciable en el detector interno de DS-20k, pero tienen un impacto más notable en el sistema de veto externo.<br />Para asegurar precisión de las estimaciones utilizadas para el cálculo de fondo, desempeñé un papel central en la caracterización de la radiactividad ambiental en el Hall C. Esto incluyó la medición de los flujos de rayos γ y neutrones de las paredes del laboratorio, así como la evaluación de los niveles de concentración de radón en el aire.<br />Por primera vez, mapeamos el flujo ambiental de rayos γ en el Hall C de LNGS usando un detector HPGe montado en un carro móvil. Lideré las operaciones de hardware, incluyendo la caracterización y calibración del detector, así como el análisis de datos y las simulaciones de Monte Carlo para el cálculo del flujo de rayos γ.<br />Al mismo tiempo, contribuí a la preparación de las medidas de flujo de neutrones utilizando un detector de He-3 con diferentes espesores de polietileno cilíndricos (mismo concepto que las esferas de Bonner). Esta actividad aún está en curso al momento de escribir esta tesis. Estas medidas son cruciales no solo para determinar la sensibilidad de DS-20k a la detección de WIMPs y validar las estrategias de mitigación, sino también son altamente relevantes para futuras búsquedas de eventos raros en el Hall C de LNGS.<br />Aunque el arg´on ofrece ventajas significativas como blanco para los experimentos de detección directa de materia oscura, también presenta una limitación fundamental que, hasta ahora, ha impedido la construcción de TPCs de doble fase de varias toneladas.<br />El argón atmosférico (AAr) contiene el isótopo 39Ar, con una actividad de 1 Bq/kg, que es un emisor β puro. Este isótopo plantea un desafío para los experimentos de materia oscura que utilizan argón, ya que introduce una fuente intensa mejor que no despreciable de fondo de retroceso electrónico (ER) a pesar de la excepcional capacidad de rechazo de fondo del argón. Esto limita el tamaño de los TPC basados en argón que se pueden construir, ya que la construcción de TPC de varias toneladas genera altos trigger rates, lo que a su vez provoca problemas de superposición.<br />La estrategia para DS-20k es utilizar argón subterráneo (UAr). Dado que el 39Ar se produce principalmente por las interacciones de los rayos cósmicos con los átomos de argón, el argón extraído de fuentes subterráneas profundas contiene cantidades significativamente menores de este isótopo. El experimento DarkSide-50 demostró un nivel de contaminación de aproximadamente 0.7 mBq/kg, un factor de 1400 veces<br />menor que el medido en el argón atmosférico. Para DS-20k, es esencial validar toda la producción de UAr, asegurando que la actividad del 39Ar en los lotes de UAr sea inferior a 1 mBq/kg de la encontrada en el argón atmosférico. DArT, un experimento de bajo fondo ubicado en el Laboratorio<br />Subterráneo de Canfranc (LSC), está diseñado específicamente para la caracterización radiogénica del UAr. Estará alojado dentro del detector de ArDM de 1 tonelada de LAr, que actúa como un veto activo contra la radiación externa. Una versión preliminar de la cámara DArT (DArT-1) se instaló en un criostato con nitrógeno líquido para caracterizar el detector midiendo su rendimiento de luz y probando los nuevos SiPMs de DS-20k para su estabilidad a largo plazo. En febrero de 2023, participé en la renovación del nuevo detector ArDM. A lo largo de mi tesis, he<br />estado activamente involucrado en las operaciones de hardware y software de DArT-1, que incluyeron la calibración de energía del detector y la realización de una medición precisa de la actividad del 39Ar en un lote de AAr. Se espera que la operación de DArT en ArDM comience en LSC en noviembre de 2024.<br />Paralelamente a mis estudios de fondo realizados para DarkSide-20k, también contribuí a la caracterización y calibración de otro experimento dentro de la Global Argon Dark Matter Collaboration (GADMC): DEAP-3600. Este experimento, ubicado en SNOLAB en Sudbury, Canadá, contiene 3.3 toneladas de argón líquido en un diseño de fase única y es el experimento de LAr más grande construido para la detección directa de materia oscura. Actualmente en operación, DEAP-3600 posee los límites de exclusión más estrictos para las WIMPs en argón para masas superiores a 20 GeV/c2.<br />Específicamente, ha establecido límites de 3.9 × 10−45 cm2 para WIMPs con una masa de 100 GeV/c2 y 1.5 × 10−44 cm2 para WIMPs con una masa de 1 TeV/c2 (90% C.L.), y espera bajar este l´ımite en un orden de magnitud al final de su toma de datos.<br />Dado que DEAP solo detecta la luz de centelleo, llevar a cabo reconstrucciones de energía y particularmente de posición que hagan al detector competitivo son un reto. Para lograr esto, la c

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