Direct detection of dark matter with the PICO Experiment and the PICO-0.1 calibration chamber

Abstract

La détection de la matière sombre demeure aujourd’hui l’un des principaux problèmes non résolus de la physique. Comptant pour près de 85% de toute la densité de matière de l’Univers, elle a été déduite par de nombreuses observations astronomiques, mais aucune particule de matière sombre n’a été détectée à ce jour. L’expérience PICO a cet objectif comme raison d’être, en utilisant la chambre à bulles pour faire ainsi. PICO peut détecter des interactions de très basses énergies dans ses détecteurs à liquides surchauffés, situés dans le laboratoire souterrain SNOLAB à Sudbury, en Ontario. PICO a, et a eu, plusieurs détecteurs de recherche de la matière sombre, de même que de plus petits détecteurs utilisés pour effectuer différents tests ou calibrations. PICO-0.1 est une chambre de calibration située à l’Université de Montréal et a été utilisée pour les études présentées dans ce mémoire. Dans ce mémoire, les données et l’analyse de mesures faites avec PICO-0.1 sont présentées. Une étude du seuil de Seitz - seuil d’énergie théorique pour qu’un événement se produise dans une chambre à bulles - est faite, avec la réaction monoénergétique 35Cl(nth,p)35S dans du C2ClF5; l’étude du recul monoénergétique 35S, directement à l’intérieur du détecteur, est présentée. De plus, la détection des reculs de protons dans PICO-0.1 est détaillée; d’abord par l’analyse du signal acoustique du proton produit par 35Cl(nth,p)35S, et ensuite par diffusion élastique des neutrons et des rayons gammas à haute énergie sur l’hydrogène dans du C2H2F4.

Dark matter detection remains one of the main unresolved problems in physics. Accounting for almost 85% of all the matter density in the Universe, it was inferred through many astronomical observations, but no dark matter particle has been detected yet. The PICO experiment has this objective as its purpose, using the bubble chamber in order to do so. PICO can detect extremely low-energy interactions in its superheated liquid detectors, located in the SNOLAB underground laboratory in Sudbury, Ontario. PICO has and has had multiple dark matter search detectors, as well as small detectors used to perform calibrations and tests. PICO-0.1 is a calibration chamber located at the University of Montreal and was used for the studies presented in this thesis. In this thesis, data and analysis of measurements made with PICO-0.1 are presented. A study of the Seitz threshold - theoretical energy threshold for an event to occur in a bubble chamber - is made, with the monoenergetic reaction 35Cl(nth,p)35S in C2ClF5; the study of the monoenergetic 35S recoil, directly inside the detector, is presented. Furthermore, the detection of proton recoils in PICO-0.1 is detailed; first through the analysis of the acoustic signal of the proton produced by 35Cl(nth,p)35S, and second through elastic scattering of neutrons and high energy gamma rays on hydrogen in C2H2F4.