Searching for dark matter with superheated liquid detectors

Abstract

De nos jours, l’une des questions fondamentales en physique des particules est la nature de la matière sombre. Les expériences PICASSO et PICO sont deux expériences de détection directe de matière sombre qui sont situées à SNOLAB qui utilisent des chambres à bulles remplies de fréons surchauffés. La collaboration PICASSO a mis sur pied la première expérience à utiliser des chambres à bulles dans le but spécifique de détecter la matière sombre et à de plus découvert l’existence de la discrimination acoustique entre les neutrons et les particules alpha. Le dernier résultat de l’expérience PICASSO a été publié en 2017 et possède, jusqu’à ce jour, la meilleure limite sur la section efficace d’interaction entre la matière sombre et la matière baryonique qui dépend du spin pour des masses de WIMPs inférieure à 5 GeV/c2 avec une limite de σpSD = 7 x 10-2 pb (90% C.L). Depuis la fusion des collaborations PICASSO et PICO, l’expérience PICO détient la meilleure limite au monde pour toute autre masse de WIMP et dont la meilleure limite correspond à σpSD = 2:5 x 10-5 pb (90% C.L) pour des WIMP de 25 GeV/c2. Actuellement, la collaboration PICO est en train de construire le détecteur PICO40L dont le bruit de fond dû aux neutrons sera radicalement diminué par un facteur ~50 et qui sert de prototype pour le design et la construction du prochain détecteur, PICO500, qui contiendra environ 500L de fréon. Cette thèse présentera tout d’abord les aspects théoriques de la matière sombre, c’est-à- dire les preuves de son existence (Chap. 2), les particules candidates les plus probables (Chap. 3), ainsi que les spectres des énergies de reculs et le taux de comptage attendu dans un détecteur de matière sombre (Chap. 4). Ces chapitres seront suivis de la présentation de la technique de détection de matière sombre avec des chambres à bulles contenant des liquides en surchauffe (Chap. 5) en plus des descriptions des détecteurs PICASSO et PICO (Chap. 6 & 7) ainsi que de l’étalonnage de ces détecteurs (Chap. 8) et de leurs résultats (Chap. 9 & 10). Par la suite, les résultats des simulations du bruit de fond de PICO40L dû aux neutrons seront présentés (Chap. 11) de même que la présentation du rôle de l’expérience PICO dans le contexte de la théorie effective (Effective Field Theory) de la matière sombre (Chap. 12). Finalement, la recherche et le développement actuel et futur de l’expérience PICO, par exemple, la description de PICO500 ainsi que la possibilité d’utiliser du C2H2F4 comme liquide actif seront présentés dans le dernier chapitre (Chap. 13).

One of the most prominent questions in the fields of particle physics and cosmology is the nature of dark matter which comprises 85% of the total mass of the universe. The PICASSO and PICO experiments are both direct detection experiments situated at SNOLAB that use the superheated liquid or bubble chamber technique to search for dark matter. The PICASSO collaboration pioneered the use of this technique for dark matter searches, and moreover, discovered an important background suppression feature: the acoustic alpha-neutron discrimination. The last PICASSO result was published in 2017 and still holds to this day the best spin-dependent cross-section limit of 7 x 10-2 pb (90% C.L.) for weakly interacting dark matter candidates (WIMPs) with a mass of 4 GeV/c2 [1]. Since the merger of PICASSO and COUPP into PICO, PICO holds the world best limit on WIMP cross sections with the most stringent spin-dependent limit of 2.5 x 10-5 pb (90% C.L) at 25 GeV/c2 set by the recent PICO60 detector result [2]. The PICO collaboration is currently building a new detector called PICO40L with a significantly improved design which will allow to substantially decrease the neutron background by a factor of 50, and pave the way forward for the next stage, PICO500, which will contain approximately 500L of superheated liquid. The present work presents first the observational and theoretical framework of dark matter searches, i.e., its proof of existence (Chap. 2), the most probable particle candidates (Chap. 3), as well as its expected recoil spectra and count rates in typical dark matter detectors (Chap. 4). It will be followed by a description of the superheated liquid technique (Chap. 5), by the description of the PICASSO and PICO detectors (Chap. 6 & 7), of their calibrations and common backgrounds (Chap. 8). In Chap. 9 & 10, the final PICASSO result are presented together with the most recent PICO dark matter limits. A GEANT4 simulation of the PICO40L neutron background will then be described in detail (Chap. 11), along with a discussion of the physic reach of PICO within the context of the effective field theory description of dark matter (Chap. 12). Finally, this thesis concludes with the current and future research and development program of the PICO collaboration, such as the future PICO500 detector, and the exciting possibility of using C2H2F4 as an active target (Chap. 13).