Production de plasmons et degré d’ionisation pour des reculs nucléaires dans les détecteurs de matière sombre au silicium de SuperCDMS

Abstract

SuperCDMS (Super Cryogenic Dark Matter Search) est une expérience de détection directe de la matière sombre qui utilise des détecteurs cryogéniques au silicium et au germanium capables de mesurer des dépôts d'énergie aussi petits que quelques eV.

L'un des défis les plus importants de la recherche de la matière sombre est de réussir à bloquer les nombreux bruits de fond. Une de ces sources de bruit de fond est la production de plasmons par la diffusion Compton, un phénomène ne déposant généralement qu'une dizaine d’eV et affectant surtout les détecteurs à semi-conducteurs. Dans cet ouvrage, nous allons estimer le taux de production de ces plasmons et démontrer qu'il est primordial de tenir compte de ce bruit de fond avant de pouvoir affirmer avoir trouvé la matière sombre.

Un autre enjeu majeur de SuperCDMS est l'étalonnage de ses détecteurs à très faible énergie. En effet, la matière sombre est supposée interagir avec le noyau des atomes. Toutefois, il n'existe présentement aucune donnée sur le degré d'ionisation pour des reculs nucléaires de moins de 0,7 keVnr dans le silicium, où keVnr représente l'énergie déposée en keV lors d'une collision nucléaire (nr). Dans la deuxième partie de cet ouvrage, nous allons montrer comment l'expérience IMPACT (Ionization Yield Measurement with Phonons At Cryogenic Temperature), une sous-expérience de SuperCDMS composée de membres de SuperCDMS, compte mesurer ce degré d'ionisation pour des reculs nucléaires entre 0,1 et 4 keVnr dans le silicium. Connaître ce degré d'ionisation est d'une grande importance pour SuperCDMS car il permet de reconstruire l'énergie déposée par une particule de matière sombre lorsqu'elle effectue une collision nucléaire dans ses détecteurs de matière sombre.

SuperCDMS (Super Cryogenic Dark Matter Search) is an experiment for the direct detection of dark matter that uses cryogenic silicon and germanium detectors which can measure energy deposition as low as a few eV.

One of the biggest challenges in the search for dark matter is to block the various background events. One of those background source is the excitation of plasmons by Compton scattering, a phenomenon that generally deposits about ten eV and which affects mainly semiconductor detectors. In this work, we will estimate the production rate of plasmons and argue that we must understand this background in order to claim evidence of dark matter.

One of SuperCDMS's other challenges is the calibration of its detectors at very low energy. Indeed, dark matter is known to interact with the atom's nucleus, but unfortunately, there is no data at the moment about the ionization yield of nuclear recoils below 0,7 keVnr in silicon, where keVnr is the energy deposited in keV in a nuclear recoil (nr). In the second part of this work, we will show how the IMPACT experiment (Ionization yield Measurement with Phonons At Cryogenic Temperature), a sub-experiment of SuperCDMS composed of members of SuperCDMS, aims to measure the ionization yield for nuclear recoils between 0,1 and 4 keVnr in silicon. It is important for SuperCDMS to know this ionization yield to reconstruct the energy deposited in their detectors by a nuclear recoil from a dark matter particle.