Projet CRAB : détection et simulation précises des reculs nucléaires pour la calibration des détecteurs cryogéniques à l'échelle de 100eV

Abstract

Les détecteurs cryogéniques peuvent désormais atteindre des seuils en énergie de l'ordre de quelques dizaines d'électron-volts, pour des masses de l'ordre du gramme. Ces caractéristiques en font une technologie de choix pour la détection des faibles reculs nucléaires induits par la diffusion cohérente élastique des neutrinos de réacteur ou la détection directe de matière noire légère. Une compréhension fine de la réponse de ces détecteurs pour des reculs nucléaires d'énergie inférieure au kilo-électrovolt sera néanmoins critique dans l'interprétation des futures données. Le projet CRAB (Calibrated Recoils for Accurate Bolometry) propose d'utiliser la capture radiative de neutrons thermiques pour produire des reculs nucléaires mono-énergétiques dans la gamme 100eV-1keV, à des fins de calibration.A la suite de la capture neutronique, il arrive que le noyau formé se désexcite en émettant un seul rayon gamma, auquel cas le recul induit est parfaitement déterminé par la masse du noyau et l'énergie du gamma émis, qui est caractéristique de l'isotope. Cette thèse présente une première expérience avec une source de neutrons thermiques portable qui a permis d'observer un pic de reculs nucléaires de 112eV, associés à la capture de neutrons sur ¹⁸²W, dans un détecteur en CaWO₄. La significativité statistique du signal est évaluée à 3σ, et l'analyse statistique démontre également que l'excès d'événements mesurés au-dessus du bruit de fond extérieur est compatible avec la simulation du spectre des événements CRAB avec une significativité supérieure à 6σ. Ces résultats valident expérimentalement le principe de la méthode CRAB. Une campagne de mesures de haute précision est à présent en cours de préparation auprès d'un faisceau de neutrons thermiques à l'Atominstitut de Vienne, dans l'objectif d'exploiter tout le potentiel scientifique de la méthode. En particulier, des effets de physique du solide sont à prendre en compte dans la prédiction du spectre en énergie attendu. Le noyau se désexcite en général plutôt par une émission séquentielle de rayons gamma. L'énergie de recul correspondante dépend de l'énergie et de la direction des gamma émis, mais aussi du déroulement temporel de la cascade gamma, par rapport au temps d'arrêt du recul induit. Nous avons modélisé cet effet en nous appuyant sur le code Iradina qui permet de simuler, dans l'approximation des collisions binaires, les collisions atomiques induites par le recul dans la matière qui l'entoure. Ce code a été modifié pour entremêler la cascade de collisions atomiques avec la cascade gamma à l'origine du recul initial, elle-même prédite par le code Fifrelin. Pour les quatre matériaux les plus utilisés dans les détecteurs cryogéniques à bas seuil (Si, Ge, Al₂O₃, CaWO₄), cette approche montre que l'on pourrait exploiter des structures supplémentaires dans les spectres en énergie attendus.Dans CaWO₄, les reculs CRAB sont inférieurs à 200eV et couvrent donc la région des énergies seuil de déplacement. Si des défauts cristallins persistent à l'issue de la cascade, une fraction de l'énergie de recul initiale y reste stockée et échappe à la détection. Pour évaluer cet effet dans CaWO₄, nous avons simulé un grand nombre de cascades de collisions atomiques en dynamique moléculaire, pour plusieurs énergies et directions de recul initiales d'un atome de tungstène. Ces simulations ont nécessité le développement préalable d'un potential interatomique Machine Learning avec le logiciel MiLaDy, entraîné sur des calculs DFT adaptés réalisés avec VASP. Une étude préliminaire propageant au spectre CRAB l'impact de l'énergie stockée dans les défauts cristallins montre qu'il pourrait en être une sonde expérimentale originale Cet effet affectera également les spectres des expériences de matière noire et de diffusion cohérente des neutrinos, avec des distortions attendues de l'ordre de 10% qui devront être prises en compte pour interpréter les données à la lumière des scénarios de nouvelle physique.Cryogenic detectors have reached energy thresholds of a few tens of electronvolts, for detector masses on the order of a gram. These characteristics make them valuable technologies for detecting low-energy nuclear recoils induced by coherent elastic scattering of reactor neutrinos or for the direct detection of light dark matter. A detailed understanding of the detector response to sub-keV nuclear recoils will however be crucial for interpreting future experimental data. The CRAB (Calibrated Recoils for Accurate Bolometry) project proposes using radiative thermal neutron capture to induce mono-energetic nuclear recoils in the 100 eV to 1keV range, which can be leveraged for calibration purposes.Following thermal neutron capture, the formed compound nucleus may de-excite by emitting a single gamma-ray. The resulting nuclear recoil is perfectly determined given the nuclear mass and the energy of the emitted gamma-ray, which is characteristic of the isotope. This work presents a first experiment with a portable thermal neutron source which led to the observation of a nuclear recoil peak at 112 eV, corresponding to neutron capture on ¹⁸²W in a CaWO₄ detector. The statistical significance of the signal is found to be 3σ. The statistical analysis proves also that the measured excess of events above the external background is compatible with the simulated CRAB energy spectrum, with an associated significance greater than 6σ. These results experimentally validate the principle of CRAB as an in-situ non-invasive calibration method. A high-precision experimental campaign is currently being prepared at a thermal neutron beamline of the Atominstitut in Vienna, with the goal of unlocking the full scientific potential of the method. In particular, some solid-state physics effects should be accounted for when predicting the expected energy spectra. In general, nuclear de-excitation tends to occur rather through the sequential emission of several gamma-rays. The corresponding recoil energy therefore depends on the energy and direction of the emitted gamma-rays, as well as on the time evolution of the gamma cascade relative to the stopping time of the recoil in matter. We have simulated this effect using Iradina to model, within the binary collision approximation, the atomic collisions induced by the initial recoil in the surrounding matter. This code has been modified to intertwine the displacement cascade with the gamma cascade that triggered the intial recoil, which is predicted by Fifrelin. For the four most common materials used in low-threshold cryogenic detectors (Si, Ge, Al₂O₃, CaWO₄), this approach shows that additional structures are expected in the CRAB energy spectra, providing new calibration anchors. In CaWO₄ , CRAB recoils are below 200eV, thus falling within the region of displacement energy thresholds. Whenever crystal defects subsist at the end of the cascade, a fraction of the initial recoil energy is retained in these defects and escapes detection. To quantify this effect in CaWO₄, we have simulated a large number of displacement cascades using molecular dynamics, for various initial recoil energies and directions of a tungsten atom. These simulations required the prior development of a Machine Learning interatomic potential, using MiLaDy, which was trained on well-chosen DFT calculations performed with VASP. A preliminary assessment of the impact of the energy stored in defects on the CRAB energy spectrum suggests that the latter could serve as an original experimental probe of this effect. Similarly, the energy spectra of dark matter and coherent elastic scattering of neutrinos will be affected, with expected shape distortions on the order of 10%. Given the potential degeneracy with new physics signatures, the energy stored in defects will need to be accounted for in the precise interpretation of future experimental data