Photon elastic scattering background events in the SuperCDMS SNOLAB experiment

Abstract

Alors que la nouvelle génération de détecteurs directs de matière sombre est en cours de construction, dans l’espoir de trouver de la matière sombre avec une masse inférieure au GeV, il est important de comprendre comment le rayonnement naturel peut produire un fond d’interactions à faible énergie. Cette thèse s’intéressera à la simulation de la diffusion élastique des rayons γ, une source possible de fonds pour les détecteurs de matière sombre sub-GeV. La simulation utilise le logiciel SuperSim basé sur Geant4 afin de modéliser l’expérience SuperCDMS SNOLAB. Une version modifiée du G4JAEAElasticScatteringModel appelée CDMSJAEAElasticScatteringModel a été mise en oeuvre dans SuperSim afin de simuler les mécanismes de diffusion de photon élastiques Rayleigh, nucléaire Thomson et Delbrück. Le CDMSJAEAElasticScatteringModel ajoute la possibilité pour les particules γ de déposer de l’énergie après avoir été diffusées élastiquement. La validité de ces deux modèles a été vérifiée et des erreurs dans le logicielle ont été rencontrées dans leur traitement des distributions d’angle de diffusion des photons qui déterminent les spectres d’énergie déposée. Les sections efficaces totales sont en accord avec la documentation et d’autres sources. Malgré les erreurs logicielles, la simulation définit une limite inférieure sur le taux de diffusion élastique des rayons γ de ∼ 0,01 et ∼ 0,035 photon diffusé élastiquement par kg par an pour les détecteurs SuperCDMS SNOLAB au germanium et au silicium, respectivement. Ces limites inférieures sont définies à l’aide d’une coupure d’énergie de recul de 1 eV. Cela fait de la diffusion élastique des rayons γ une source importante de bruit de fond pour détecteurs SuperCDMS proposés avec des capacités de discrimination ER/NR à des énergies de recul à l’échelle eV.

While the new generation of direct dark matter detectors are being built in the hopes of finding sub-GeV dark matter, it is important to understand how natural radiation can produce a background of low-energy interactions. This thesis will analyze simulating γ-ray elastic scattering, a possible source of background for sub-GeV dark matter detectors. The simulation uses Geant4-based SuperSim software in order to model the SuperCDMS SNOLAB experiment. A modified version of the G4JAEAElasticScatteringModel called CDMSJAEAElasticScatteringModel was implemented into SuperSim in order to simulate the Rayleigh, nuclear Thomson and Delbrück γ-ray elastic scattering mechanisms. The CDMSJAEAElasticScatteringModel adds the ability for the γ particles to deposit energy after being elastically scattered. The validity of both these models was checked, and errors were encountered in their treatment of photon scattering angle distributions which determine the deposited energy spectra. The total cross sections are consistent with the documentation and other sources. Despite the bug, the simulation does set a lower bound on the γ-ray elastic scattering rate of ∼ 0.01 and ∼ 0.035 elastically scattered photon per kg per year for germanium and silicon SuperCDMS SNOLAB detectors, respectively. These lower bounds are set using a 1 eV recoil energy cutoff. In conclusion, γ-ray elastic scattering a significant source of background for proposed SuperCDMS detectors with ER/NR discrimination capabilities at eV-scale recoil energies.