Búsqueda de materia oscura mediante la medición de producción de ionización por retrocesos nucleares con el detector DAMIC

Desde su planteo inicial, alrededor del año 1930, el problema de la materia oscurapermanece como uno de los mayores problemas abiertos en Física. Actualmente,existe un gran número de evidencias observacionales, astrofísicas y cosmológicas, quemotivan la hipótesis de la existencia de una forma de mat...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor principal: Izraelevitch, Federico H.
Otros Autores: Estrada Vigil, Juan Cruz
Formato: Tesis doctoral publishedVersion
Lenguaje:Español
Publicado: Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales 2017
Materias:
MATERIA OSCURA
DAMIC
RETROCESO NUCLEAR
EFICIENCIA DE IONIZACION
DARK MATTER
NUCLEAR RECOIL
IONIZATION EFFICIENCY
Acceso en línea:https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6152_Izraelevitch
Aporte de:Biblioteca Digital - Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (UBA) de Universidad de Buenos Aires Ver origen
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description Desde su planteo inicial, alrededor del año 1930, el problema de la materia oscurapermanece como uno de los mayores problemas abiertos en Física. Actualmente,existe un gran número de evidencias observacionales, astrofísicas y cosmológicas, quemotivan la hipótesis de la existencia de una forma de materia distinta a la materiaordinaria, llamada materia oscura. A pesar del esfuerzo realizado para detectarla, sunaturaleza permanece ignota. Las búsquedas por detección directa comenzaron enfocadasen extensiones supersimétricas mínimas del modelo estándar, que predicenpartículas con masas de ~ 100 GeV/c². Los límites de exclusión impuestos por losexperimentos de búsqueda, los nulos resultados de las búsquedas de supersimetríaen el Large Hadron Collider, las afirmaciones de detección de algunas colaboracionescomo DAMA, y el desarrollo de nuevos modelos de partículas de materia oscuraliviana, motivó a la comunidad a buscar partículas de materia oscura con masas pordebajo de los ~ 10 GeV/c². Se piensa que las partículas de materia oscura interactúan coherentemente (en forma elástica) con los núcleos produciendo retrocesosnucleares. Por consideraciones cinemáticas, cuanto menor sea la masa de la partículade materia oscura, menor será la energía del retroceso nuclear a detectar.\nEl experimento DAMIC, que enmarca este trabajo de tesis, utiliza sensores CCDs\n(Charge-Coupled Devices) de grado científico como detectores para la búsqueda demateria oscura. En su programa de R&D, entre 2011 y 2015, ha demostrado laoperación de los CCDs con el umbral más bajo alcanzado por la comunidad dedetección directa. Esto ha motivado el desarrollo de un detector masivo, llamado\nDAMIC100, que buscará materia oscura de baja masa en una zona del espacio defases no explorada aún. En los detectores semiconductores, un retroceso nucleardeposita su energía produciendo ionización y fonones. Dado que el detector DAMICsolo es capaz de medir la señal de ionización, resulta fundamental determinar laionización producida por los retrocesos nucleares para la interpretación de los datosadquiridos en los experimentos de búsqueda de partículas de materia oscura.\nEn este trabajo describimos el problema de la materia oscura, detallando laevidencia experimental que motiva su hipótesis. Explicamos los métodos utilizadospara su búsqueda y discutimos el estado actual de estos efuerzos. Describimosel experimento DAMIC, su principio de funcionamiento, características y el arregloexperimental utilizado en el laboratorio subterráneo SNOLAB. Discutimos la importanciade la calibración del detector mediante la medición de la ionización producidapor retrocesos nucleares y revisamos los antecedentes en la literatura. Finalmente,describimos un experimento de dispersión elástica de neutrones realizado para medirla eficiencia de ionización a bajas energías, y discutimos los resultados obtenidos.\n
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Las búsquedas por detección directa comenzaron enfocadasen extensiones supersimétricas mínimas del modelo estándar, que predicenpartículas con masas de ~ 100 GeV/c². Los límites de exclusión impuestos por losexperimentos de búsqueda, los nulos resultados de las búsquedas de supersimetríaen el Large Hadron Collider, las afirmaciones de detección de algunas colaboracionescomo DAMA, y el desarrollo de nuevos modelos de partículas de materia oscuraliviana, motivó a la comunidad a buscar partículas de materia oscura con masas pordebajo de los ~ 10 GeV/c². Se piensa que las partículas de materia oscura interactúan coherentemente (en forma elástica) con los núcleos produciendo retrocesosnucleares. Por consideraciones cinemáticas, cuanto menor sea la masa de la partículade materia oscura, menor será la energía del retroceso nuclear a detectar.\nEl experimento DAMIC, que enmarca este trabajo de tesis, utiliza sensores CCDs\n(Charge-Coupled Devices) de grado científico como detectores para la búsqueda demateria oscura. En su programa de R&D, entre 2011 y 2015, ha demostrado laoperación de los CCDs con el umbral más bajo alcanzado por la comunidad dedetección directa. Esto ha motivado el desarrollo de un detector masivo, llamado\nDAMIC100, que buscará materia oscura de baja masa en una zona del espacio defases no explorada aún. En los detectores semiconductores, un retroceso nucleardeposita su energía produciendo ionización y fonones. Dado que el detector DAMICsolo es capaz de medir la señal de ionización, resulta fundamental determinar laionización producida por los retrocesos nucleares para la interpretación de los datosadquiridos en los experimentos de búsqueda de partículas de materia oscura.\nEn este trabajo describimos el problema de la materia oscura, detallando laevidencia experimental que motiva su hipótesis. Explicamos los métodos utilizadospara su búsqueda y discutimos el estado actual de estos efuerzos. Describimosel experimento DAMIC, su principio de funcionamiento, características y el arregloexperimental utilizado en el laboratorio subterráneo SNOLAB. Discutimos la importanciade la calibración del detector mediante la medición de la ionización producidapor retrocesos nucleares y revisamos los antecedentes en la literatura. Finalmente,describimos un experimento de dispersión elástica de neutrones realizado para medirla eficiencia de ionización a bajas energías, y discutimos los resultados obtenidos.\n The dark matter problem is one of the major open questions in Physics, since itsconception around 1930. Vast astrophysical and cosmological observational evidencemotivates the hypothesis of the existence of a form of matter distinct to the ordinaryone, called dark matter. Despite the efforts to detect it, its nature remains unknown.\nDirect detection searches began focused in minimal supersymmetric extensions ofthe standard model, predicting particles with masses of ~ 100 GeV/c². Exclusionlimits of search experiments, null results of supersymmetry searches at the Large\nHadron Collider, detection claims of some collaborations, and the development oflow-mass dark-matter models, motivated the community to search for dark matterparticles with masses below ~ 10 GeV/c². It is thought that dark matter particlesinteract coherently (elastically) with nuclei producing nuclear recoils. For kinematicsreasons, the lighter the dark matter particle the lower the energy of the nuclear recoil.\nThe DAMIC experiment, the framework of the present thesis, uses scientific grade\nCharge-Coupled Devices as detectors for the dark matter search. In the R&Dphase (2012-2015) the collaboration demonstrated the operation of the CCDs withthe lowest threshold achieved by the direct-detection community. This motivated thedevelopment of a massive detector, DAMIC100, that will search for low-mass darkmatter particles in an unexplored phase-space region. In semiconductor detectors,a nuclear recoil deposits its energy producing ionization and phonons. The DAMICdetector is only capable to measure ionization. Thus, it is crucial to determine theionization produced by nuclear recoils to interpret the data acquired in the darkmatter search experiments.\nIn this work we describe the dark matter problem, detailing the evidence thatmotivates its hypothesis. We explain the methods used for the searches and wediscuss the actual state of these efforts. We describe the DAMIC experiment, itsworking principle, characteristics and the setup deployed in the deep undergroundlaboratory SNOLAB. We discuss the importance of the calibration of the detectorby measuring the ionization production by nuclear recoils and we review past studiesfound in the literature. Finally, we describe a neutron elastic-scattering experimentperformed to measure the ionization efficiency of nuclear recoils at low energies andwe discuss the results.\n Fil:Izraelevitch, Federico H.. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales 2017-03-31 info:eu-repo/semantics/doctoralThesis info:ar-repo/semantics/tesis doctoral info:eu-repo/semantics/publishedVersion application/pdf spa info:eu-repo/semantics/openAccess https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/ar https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6152_Izraelevitch

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