Recherche de matière noire légère avec les expériences DAMIC à SNOLAB et DAMIC-M : investigations de bruit de fonds radioactifs et sur les caméras CCD Skipper en silicium

Le programme DAMIC (Dark Matter in CCDs) utilise le silicium massif des CCDs scientifiques pour chercher des signaux d’ionisation produits par les interactions de matière noire, dont la nature est encore inconnue. En raison des faibles bruit et courant de fuite, de la petite dimension des pixels CCD et de la masse du noyau de silicium, DAMIC est sensible aux signaux d’ionisation des noyaux ou des électrons en recul à la suite de la diffusion de particules de matière noire WIMPs ou du secteur caché. Le thème de ma thèse est de faire avancer la recherche de matière noire en étudiant les fonds radioactifs qui en limitent la sensibilité et en améliorant la résolution des CCDs à l’aide de la technologie Skipper. Je présente une technique pour rejeter ces fonds dans le détecteur DAMIC à SNOLAB en identifiant les séquences de désintégration spatialement corrélées. Je discute d’une mesure expérimentale de l’activation cosmogénique du silicium obtenue via l’irradiation des CCDs. Je décris la construction d’un modèle de fond radioactif pour un détecteur de matière noire CCD, qui a révélé l’existence d’une région de collecte de charges partielle. Je propose des étapes optimales pour la fabrication et la manipulation des matériaux des futurs détecteurs. Enfin, je décris les résultats du déploiement de nouveaux CCDs Skipper qui ont une résolution sub-électron grâce à des mesures multiples et non-destructives de la charge des pixels. DAMIC-M, une expérience de CCDs Skipper et d’ordre d’un kg, est en cours de développement. Je décris la construction de bancs de test pour caractériser les performances des CCDs de DAMIC-M, pour lesquels une résolution de 0,07 e- a déjà été démontrée.The DAMIC (Dark Matter in CCDs) program employs the bulk silicon of scientific CCDs to search for ionization signals produced by interactions of particle dark matter, the nature of which is still unknown. By virtue of the low noise, low leakage current, and small pixel size of DAMIC CCDs, as well as the relatively low mass of the silicon nucleus, DAMIC is sensitive to ionization signals from recoiling nuclei or electrons following the scattering of WIMP or hidden-sector dark matter particles. The theme of this thesis is to advance next-generation CCD dark matter searches by investigating radioactive backgrounds that limit sensitivity and by improving the resolution of CCDs using Skipper technology. We present a technique to distinguish and reject background events in the DAMIC at SNOLAB detector by identifying spatially-correlated decay sequences over long periods. We also discuss a direct experimental measurement of the cosmogenic activation of silicon obtained via CCD irradiation. We review the construction of a radioactive background model for a CCD dark matter detector, which revealed the existence of a partial charge collection region in DAMIC CCDs. We propose steps for optimal material selection, fabrication, and handling of future detectors. Finally, we outline results from the deployment of novel Skipper CCDs that reach sub-electron resolution by performing non-destructive, multiple measurements of pixel charge. DAMIC-M, a kg-size Skipper CCD experiment, is being developed. We review the construction of automated test chambers to characterize DAMIC-M CCDs, for which a resolution of 0.07 e- has already been demonstrated

Recherche de matière noire légère avec les expériences DAMIC à SNOLAB et DAMIC-M : investigations de bruit de fonds radioactifs et sur les caméras CCD Skipper en silicium

The DAMIC (Dark Matter in CCDs) program employs the bulk silicon of scientific CCDs to search for ionization signals produced by interactions of particle dark matter, the nature of which is still unknown. By virtue of the low noise, low leakage current, and small pixel size of DAMIC CCDs, as well as the relatively low mass of the silicon nucleus, DAMIC is sensitive to ionization signals from recoiling nuclei or electrons following the scattering of WIMP or hidden-sector dark matter particles. The theme of this thesis is to advance next-generation CCD dark matter searches by investigating radioactive backgrounds that limit sensitivity and by improving the resolution of CCDs using Skipper technology. We present a technique to distinguish and reject background events in the DAMIC at SNOLAB detector by identifying spatially-correlated decay sequences over long periods. We also discuss a direct experimental measurement of the cosmogenic activation of silicon obtained via CCD irradiation. We review the construction of a radioactive background model for a CCD dark matter detector, which revealed the existence of a partial charge collection region in DAMIC CCDs. We propose steps for optimal material selection, fabrication, and handling of future detectors. Finally, we outline results from the deployment of novel Skipper CCDs that reach sub-electron resolution by performing non-destructive, multiple measurements of pixel charge. DAMIC-M, a kg-size Skipper CCD experiment, is being developed. We review the construction of automated test chambers to characterize DAMIC-M CCDs, for which a resolution of 0.07 e- has already been demonstrated.Le programme DAMIC (Dark Matter in CCDs) utilise le silicium massif des CCDs scientifiques pour chercher des signaux d’ionisation produits par les interactions de matière noire, dont la nature est encore inconnue. En raison des faibles bruit et courant de fuite, de la petite dimension des pixels CCD et de la masse du noyau de silicium, DAMIC est sensible aux signaux d’ionisation des noyaux ou des électrons en recul à la suite de la diffusion de particules de matière noire WIMPs ou du secteur caché. Le thème de ma thèse est de faire avancer la recherche de matière noire en étudiant les fonds radioactifs qui en limitent la sensibilité et en améliorant la résolution des CCDs à l’aide de la technologie Skipper. Je présente une technique pour rejeter ces fonds dans le détecteur DAMIC à SNOLAB en identifiant les séquences de désintégration spatialement corrélées. Je discute d’une mesure expérimentale de l’activation cosmogénique du silicium obtenue via l’irradiation des CCDs. Je décris la construction d’un modèle de fond radioactif pour un détecteur de matière noire CCD, qui a révélé l’existence d’une région de collecte de charges partielle. Je propose des étapes optimales pour la fabrication et la manipulation des matériaux des futurs détecteurs. Enfin, je décris les résultats du déploiement de nouveaux CCDs Skipper qui ont une résolution sub-électron grâce à des mesures multiples et non-destructives de la charge des pixels. DAMIC-M, une expérience de CCDs Skipper et d’ordre d’un kg, est en cours de développement. Je décris la construction de bancs de test pour caractériser les performances des CCDs de DAMIC-M, pour lesquels une résolution de 0,07 e- a déjà été démontrée

Recherche de matière noire légère avec les expériences DAMIC à SNOLAB et DAMIC-M : investigations de bruit de fonds radioactifs et sur les caméras CCD Skipper en silicium

The DAMIC (Dark Matter in CCDs) program employs the bulk silicon of scientific CCDs to search for ionization signals produced by interactions of particle dark matter, the nature of which is still unknown. By virtue of the low noise, low leakage current, and small pixel size of DAMIC CCDs, as well as the relatively low mass of the silicon nucleus, DAMIC is sensitive to ionization signals from recoiling nuclei or electrons following the scattering of WIMP or hidden-sector dark matter particles. The theme of this thesis is to advance next-generation CCD dark matter searches by investigating radioactive backgrounds that limit sensitivity and by improving the resolution of CCDs using Skipper technology. We present a technique to distinguish and reject background events in the DAMIC at SNOLAB detector by identifying spatially-correlated decay sequences over long periods. We also discuss a direct experimental measurement of the cosmogenic activation of silicon obtained via CCD irradiation. We review the construction of a radioactive background model for a CCD dark matter detector, which revealed the existence of a partial charge collection region in DAMIC CCDs. We propose steps for optimal material selection, fabrication, and handling of future detectors. Finally, we outline results from the deployment of novel Skipper CCDs that reach sub-electron resolution by performing non-destructive, multiple measurements of pixel charge. DAMIC-M, a kg-size Skipper CCD experiment, is being developed. We review the construction of automated test chambers to characterize DAMIC-M CCDs, for which a resolution of 0.07 e- has already been demonstrated.Le programme DAMIC (Dark Matter in CCDs) utilise le silicium massif des CCDs scientifiques pour chercher des signaux d’ionisation produits par les interactions de matière noire, dont la nature est encore inconnue. En raison des faibles bruit et courant de fuite, de la petite dimension des pixels CCD et de la masse du noyau de silicium, DAMIC est sensible aux signaux d’ionisation des noyaux ou des électrons en recul à la suite de la diffusion de particules de matière noire WIMPs ou du secteur caché. Le thème de ma thèse est de faire avancer la recherche de matière noire en étudiant les fonds radioactifs qui en limitent la sensibilité et en améliorant la résolution des CCDs à l’aide de la technologie Skipper. Je présente une technique pour rejeter ces fonds dans le détecteur DAMIC à SNOLAB en identifiant les séquences de désintégration spatialement corrélées. Je discute d’une mesure expérimentale de l’activation cosmogénique du silicium obtenue via l’irradiation des CCDs. Je décris la construction d’un modèle de fond radioactif pour un détecteur de matière noire CCD, qui a révélé l’existence d’une région de collecte de charges partielle. Je propose des étapes optimales pour la fabrication et la manipulation des matériaux des futurs détecteurs. Enfin, je décris les résultats du déploiement de nouveaux CCDs Skipper qui ont une résolution sub-électron grâce à des mesures multiples et non-destructives de la charge des pixels. DAMIC-M, une expérience de CCDs Skipper et d’ordre d’un kg, est en cours de développement. Je décris la construction de bancs de test pour caractériser les performances des CCDs de DAMIC-M, pour lesquels une résolution de 0,07 e- a déjà été démontrée

Searching for Light Dark Matter with DAMIC at SNOLAB and DAMIC-M: Investigations into Radioactive Backgrounds and Silicon Skipper Charge-Coupled Devices

The dark matter community has reached an inflection point. Strong limits have been placed on O(100 GeV) WIMPs, and attempts to produce dark matter at accelerators have not yet been successful. As such, there has been a shift towards exploring new parameter space, specifically that of light dark matter, and looking for hidden photons or dark matter-electron interactions. The DAMIC (Dark Matter in CCDs) program employs the bulk silicon of scientific CCDs to search for ionization signals produced by interactions of particle dark matter from the galactic halo of the Milky Way. By virtue of the low noise (~2 electrons) and small pixel size (15 μm) of conventional DAMIC CCDs, as well as the relatively low mass of the silicon nucleus, DAMIC is sensitive to small ionization signals from recoiling nuclei or electrons following the scattering of dark matter particles, and especially to low-mass WIMPs with mχ in the 1−10 Gev/c^2 range. A decade-long deployment of such detectors at the SNOLAB underground laboratory has demonstrated CCDs as successful dark matter detectors. There are two major themes of this thesis: first, understanding backgrounds that limit the sensitivity of silicon CCD direct-detection searches, and second, improving the resolution of CCDs using Skipper technology in order to drive next-generation searches for dark matter. A major contribution of this thesis is the development of a powerful technique to distinguish and reject background events in the DAMIC at SNOLAB detector. Utilizing the exquisite spatial resolution of CCDs, discriminating between α and β particles, we identify spatially-correlated decay sequences over long periods. We report measurements of radiocontaminants in the high resistivity CCDs from the DAMIC at SNOLAB experiment, including bulk 32Si and surface 210Pb; we also set limits for radiocontaminants along the 238U and 232Th chains. This technique will enable future silicon-based dark matter programs to optimize silicon ingot selection in order to minimize what may otherwise become a dominant and irreducible background. We also present a direct experimental measurement of the cosmogenic activation of silicon, following the irradiation of DAMIC CCDs at the LANSCE beam of the Los Alamos National Laboratory. Beyond measurements of key problematic backgrounds, we present the first-ever radioactive background model constructed for a dark matter CCD detector, which revealed the existence of a partial charge collection region in DAMIC CCDs. We outline fabrication efforts of the core element of CCD devices, with steps that can address this problematic partial charge collection layer. Finally, this work presents results from the successful deployment of novel Skipper CCDs. These CCDs are able to reach sub-electron resolution by performing non-destructive, multiple measurements of pixel charge. DAMIC-M, a record mass, kg-size CCD experiment under development, will feature such devices. A resolution of 0.07 electrons has been demonstrated in a DAMIC-M prototype CCD. We present the work to fully characterize and integrate these detectors via the construction of automated test chambers, and outline the projected sensitivity both of DAMIC-M and its prototype, the Low Background Chamber

The FAST Project - A Next Generation UHECR Observatory

We present a concept for large-area, low-cost detection of ultrahigh-energy cosmic rays (UHECRs) with a Fluorescence detector Array of Single-pixel Telescopes (FAST)b, addressing the requirements for the next generation of UHECR experiments. In the FAST design, a large field of view is covered by a few pixels at the focal plane of a mirror or Fresnel lens. We report on the first results of a FAST prototype installed at the Telescope Array (TA) site, consisting of a single 200 mm photomultiplier tube (PMT) at the focal plane of a 1 m2 Fresnel lens system taken from the prototype of the JEM-EUSO experiment. We also report on the status of the full-scale FAST prototype soon to be installed at the TA site, comprising a segmented spherical mirror of 1.6 m diameter and a 2 × 2 PMT camera

The FAST Project - A Next Generation UHECR Observatory

We present a concept for large-area, low-cost detection of ultrahigh-energy cosmic rays (UHECRs) with a Fluorescence detector Array of Single-pixel Telescopes (FAST)

JRJC 2019. Book of Proceedings

International audienc

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