DOCTORAT / PhD
de physique

Carte des instituts
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Carte des instituts

J'ai réalisé mon doctorat au sein de l'École doctorale des Sciences Fondamentales de l'Université Blaise Pascal (UBP) à Clermont-Ferrand, France, sous la coordination du Prof. Dr. Jean Orloff.

En réalité, je n'ai pas passé un seul jour à l'UBP pendant ma thèse. Mon travail de recherche impliquait une collaboration étroite entre l'Allemagne et la France. J'étais basée au Karlsruher Institut für Technologie (KIT) à Karlsruhe en Allemagne, en collaboration avec le Commissariat à l’Energie Atomique (CEA) à Saclay, France.

J'ai principalement travaillé à l'Institut für Kernphysik (IKP) (institut de physique nucléaire, qui est devenu depuis l'Institut für Astroteilchenphysik (IAP) - institut des astroparticules) au KIT sous la direction du Prof. Dr. Johannes Bluemer et du Dr. Klaus Eitel.

J'ai aussi passé plusieurs mois durant ma deuxième et troisième année de thèse à l'Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l’Univers (IRFU) du CEA sous la supervision du Dr. Gilles Gerbier.

Étude du bruit de fond induit par les muons dans l'expérience EDELWEISS-II

L’expérience EDELWEISS a pour but de détecter des WIMPs, particules massives faiblement interactives, qui pourraient composer la matière noire de l’univers. Elle mesure l’énergie libérée lors de la collision élastique d’un WIMP sur un noyau de matière ordinaire. Du fait de sa très faible section efficace d’interaction, qui conduit à un taux d’évènement extrêmement bas (< 1 evt/kg/an), et du fait du faible dépôt d’énergie (< 100 keV), le signal de recul nucléaire des WIMPs peut être imité par des neutrons de la radioactivité ambiante ou induits par des muons. Cette thèse est dédiée à l’étude du bruit de fond induit par les muons. Les performances du véto muon de l’expérience EDELWEISS-II sont présentées et la détection des muons et de leur gerbes discutés. Les premières  coïncidences entre le véto muon et les bolomètres ont été réalisées sur deux prises de données de 4 mois de 2007 et 2008 et conduisent à un résultat de 0.043 ± 0.015 coinc/kg/j pour une énergie de recul de ER < 250 keV.

Investigation of the muon-induced background of the EDELWEISS-II experiment

The EDELWEISS experiment aims to detect WIMPs, weakly interactive massive particles, which could possibly amount for all or part of the dark matter in the universe. It measures the energy released by nuclear recoils produced by the elastic collision of a WIMP in an ordinary matter target. Due to the very small interaction cross-section of WIMP with nucleons, which leads to an extremely low expected event rate (< 1 event/kg/year), and due to the relatively small deposited energy (< 100 keV), the nuclear recoil signal of  WIMP events can be mimiced by neutrons coming from natural radioactivity or induced by muons. The present work is devoted to study the muon-induced background. Performances of the muon veto of the EDELWEISS-II experiment are presented and detection of muons and showers discussed. The first muon veto-bolometers coincidences has been performed on two 4-month physics runs in 2007 and 2008 and leads to a result of 0.043 ± 0.015 coinc/kg/d for a recoil energy ER < 250 keV.

Résultat de l’analyse des coïncidences entre le véto muon et les bolomètres. La ligne rose placé à 30 keV ne correspond pas à un seuil ou une coupure, mais est seulement là pour guider l’oeil. Le bruit de fond de type électromagnétique tel que la lumière (photons) produit un signal d’ionisation et de chaleur dans les bolomètres qui situera l’évènement dans la zone délimitée en bleue. Dans la zone en rouge se trouvera le signal provenant des neutrons et des WIMPs. Après analyse, les 4 évènements de la zone rouge se trouvent être des coïncidences véto muon-bolomètres, c’est-à-dire des neutrons induits par des muons. Leur trajectoire peut être reconstruite comme montré ci-après.

Résumé vulgarisé de thèse en français


Mots-clés : physique subatomique et des astroparticules, à la recherche de la matière noire

De récentes observations telles que l’étude minutieuse du bruit de fond cosmologique, l’examen de la dynamique des galaxies, ou la mesure de luminosité de lointaines supernovae ont conduit 

à un nouveau modèle cosmologique appelé ΛCDM. Dans ce modèle, la densité d’énergie de l’univers serait composée principalement (73%) de la constante cosmologique Λ, appelée aussi énergie noire. 

La matière ordinaire, telle que nous la connaissons, contribuerait seulement à 4%, tandis que la seconde plus grande partie (23%) serait de la matière noire (Cold Dark Matter).

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Le candidat le plus souvent évoqué pour composer cette matière noire encore inconnue est le WIMP : une particule stable, non baryonique, massive et très faiblement interactive. D’un point de vue théorique, le WIMP correspondrait au neutralino, la particule supersymétrique la plus légère du modèle standard supersymétrique  minimal (MSSM). Il aurait une masse entre 50 et 1000 GeV/c2, et une section efficace d’interaction avec un nucléon plus petite que 10-7 pb.

L’expérience EDELWEISS-II (Expérience pour DEtecter Les WIMPs en SIte Souterrain) utilise la détection directe pour rechercher les WIMPs. La détection directe consiste à mesurer l’énergie libérée lors d’un recul nucléaire produit par la collision élastique d’un WIMP du halo galactique sur un noyau de matière ordinaire. Les détecteurs utilisés sont des bolomètres cryogéniques (T~20mK) en germanium permettant une mesure simultanée de l’élévation de température et de l’ionisation produites. Tandis que la chaleur reflète la totalité de l’énergie déposée, l’ionisation dépend fortement du type de particule, permettant de distinguer différents types d’évènement.

Cependant du fait de sa faible probabilité d’interaction avec les nucléons, i.e. un taux d’évènement extrêmement faible (< 1 evt/kg/an), et avec un dépôt d’énergie relativement petit (< 100 keV), le signal de recul nucléaire du WIMP peut être noyé dans les reculs nucléaires induits par les neutrons. Les neutrons sont issus de la radioactivité naturelle, mais sont surtout produits lors de la diffusion  profondément inélastique des muons cosmiques survivant à la traversée des 4600 mètres d’eau équivalent de roche.

Le travail de thèse qui suit est dédié à l’étude du bruit de fond induit par les muons. Il a été effectué principalement au Forschungszentrum Karlsruhe pour la mise en fonctionnement d’un détecteur de muon, appelé véto muon, et en deux différents séjours de 4 mois au CEA/Saclay pour synchroniser la détection entre les détecteurs. Le véto muon est amené à rejeter le bruit de fond induit par les muons, en associant les muons cosmiques qui passent dans le voisinage de l’expérience à des reculs nucléaires induits dans les bolomètres.

Le véto muon fonctionne depuis maintenant 3 ans et a déjà permis une bonne identification des muons et de leur gerbe en terme d’énergie et de trajectoire. Pour la première fois a été réalisée une analyse des évènements en coïncidence entre le véto muon et les bolomètres pour deux runs longs de 2007 et 2008. Des coïncidences ont été clairement identifiées, avec un taux et une distribution en accord avec la simulation précédemment réalisé. Le taux d’évènement en coïncidence est de Γcoïnc = 0.043 ± 0.015 evt /kg/jour pour une énergie de recul ER < 250 keV. La faisabilité d’une telle analyse est prometteuse pour les runs futurs où, avec le développement de nouveaux détecteurs et l’augmentation en masse et en sensibilité de l’expérience, le bruit de fond induit par les muons sera l’ultime facteur limitant.