ANAIS-0: Feasibility study for a 250 kg Nal(Tl) dark matter search experiment at the Canfranc Undreground Laboratory

Este trabajo ha consistido en un estudio de viabilidad del experimento ANAIS (Annual modulation with NaI(Tl) Scintillators) cuyo objetivo es la detección directa de materia oscura con 250 kg de NaI(Tl) en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC). El experimento ANAIS tratará de corroborar la señal positiva obtenida por el experimento DAMA-LIBRA utilizando el mismo material blanco y técnica de detección. La mayor parte de este estudio se ha llevado a cabo con el módulo ANAIS-0, fabricado con un cristal de 9.6 kg de NaI(Tl) y encapsulado en la Universidad de Zaragoza, que ha operado en diferentes configuraciones experimentales en el LSC. La versatilidad de este prototipo ha posibilitado el estudio del sistema de recogida de luz, ha proporcionado datos en diferentes condiciones experimentales que han permitido desarrollar un modelo del fondo radiactivo muy satisfactorio y se han diseñado protocolos de análisis de datos para el filtrado de poblaciones anómalas de eventos, no atribuibles al centelleo en el cristal de NaI. En la última etapa de este trabajo, dos cristales ultrapuros de NaI(Tl) fabricados con polvo especialmente seleccionado por su bajo contenido en potasio, fueron instalados en el LSC (ANAIS-25) y están tomando datos en la actualidad. De forma preliminar, los distintos protocolos de análisis de datos desarrollados y optimizados con ANAIS-0 se han aplicado a los datos de ANAIS-25 para obtener resultados preliminares muy favorables sobre la calidad óptica y de radiopureza de los cristales

Background evaluation of the ANAIS dark matter experiment in different configurations: towards a final design

INTRODUCCIÓN Y MOTIVACIÓN DE LA TESIS Existen numerosas evidencias de que la mayor parte de la materia del Universo es "oscura", y diversos experimentos se han dedicado a su detección directa con diferentes blancos y técnicas. Hasta la fecha, sólo el experimento DAMA/LIBRA, en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso, Italia, ha reivindicado una señal positiva de modulación anual como la que se espera que produzcan las partículas de materia oscura que constituyen el halo de nuestra galaxia, que no es compatible ni con fondos convencionales ni con los variados efectos sistemáticos propuestos. El proyecto ANAIS, desarrollado por la Universidad de Zaragoza, tiene como objetivo la confirmación de la señal positiva de DAMA/LIBRA usando el mismo blanco y técnica de detección. DESARROLLO TEÓRICO ANAIS-112 usará 112.5 kg de NaI(Tl) ultrapuro en nueve detectores. Se ha llevado a cabo un extenso trabajo para caracterizar y cuantificar las contribuciones al fondo radiactivo de los diferentes prototipos considerados. En este trabajo se presentan los resultados de los cuatro primeros detectores fabricados por la compañía Alpha Spectra (D0-D3), basados en medidas en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc y simulaciones por Monte Carlo. CONCLUSIÓN Los modelos de fondo construidos para los detectores D0, D1 y D2, así como los resultados preliminares de D3, describen satisfactoriamente los datos medidos en diferentes condiciones de análisis. La inclusión de algunas hipótesis adicionales, como la presencia de isótopos cosmogénicos que no pueden ser cuantificados directamente o la contaminación parcial de 210Pb en la superficie, mejoran significativamente la concordancia del modelo con los datos reales. El detector D2 presenta el mejor fondo medido hasta la fecha, pero se espera mejorarlo todavía más en ANAIS-112 gracias al incremento del poder de rechazo en un montaje multimodular, que permita eliminar coincidencias, y un mayor control de la radiopureza de los módulos restantes. Además, se han evaluado las perspectivas de fondo para el experimento completo, teniendo en cuenta el diseño planeado para ANAIS-112, así como otros escenarios hipotéticos, como una matriz de detectores de NaI(Tl) correspondiente a 250 kg, o el uso de un veto de centelleo líquido. Finalmente, la sensibilidad de ANAIS en la búsqueda de la modulación anual de la señal de materia oscura ha sido evaluada en diferentes configuraciones experimentales y condiciones de fondo, confirmando que ANAIS-112 con el fondo ya obtenido en D2 podrá explorar la señal de DAMA/LIBRA. BIBLIOGRAFÍA - R. Bernabei, P. Belli, F. Cappella et al., Final model independent results of DAMA/LIBRA-phase 1 and perspectives of phase 2, Phys. Part. Nuclei 46, 138 (2015). - M. Martínez, Diseño de un prototipo para un experimento de detección directa de materia oscura mediante modulación anual con centelleadores de ioduro de sodio, Tesis Doctoral, Universidad de Zaragoza, 2006. - C. Cuesta et al., Analysis of the 40K contamination in NaI(Tl) crystals from different providers, Int. J. Mod. Phys. A 29, 1443010 (2014). - C. Cuesta et al., Bulk NaI(Tl) scintillation low energy events selection with the ANAIS-0 module, Eur. Phys. J. C 74, 3150 (2014). - C. Cuesta, ANAIS-0: Feasibility study for a 250 kg NaI(Tl) dark matter search experiment at the Canfranc Underground Laboratory, Tesis Doctoral, Universidad de Zaragoza (2013). - M.A. Oliván, Design, scale-up and characterization of the data acquisition system for the ANAIS dark matter experiment, Tesis Doctoral, Universidad de Zaragoza, (2016). - J. Amaré et al., Assessment of backgrounds of the ANAIS experiment for dark matter direct detection, Eur. Phys. J. C 76, 429 (2016)

Aplicación de SIPMs en detectores de centelleo de NaI (Tl); retos y oportunidades

ANAIS-112 es un experimento de detección directa de materia oscura en el laboratorio subterráneo de Canfranc. El objetivo de ANAIS-112 es confirmar o refutar el resultado del experimento DAMA/LIBRA: la observación con alto significado estadístico de una modulación en su ritmo de detección compatible con la esperada para WIMPs del halo galáctico. En la actualidad la principal limitación en la sensibilidad de ANAIS es debida a los tubos fotomultiplicadores (PMT). La aplicación de SiPMs a los detectores de NaI (Tl) podría resolver este problema. Por tanto, caracterizar estos dispositivos y evaluar su potencial aplicación en detectores de centelleo de NaI (Tl) es el principal objetivo de este trabajo.<br /

Estudio por Monte Carlo de la respuesta de los detectores de ANAIS-112 a distintas fuentes de neutrones.

ANAIS-112 es un experimento de detección directa de materia oscura en forma de WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), localizado en el Laboratorio Subterráno de Canfranc (LSC). Tiene como objetivo confirmar o refutar el resultado de DAMA/LIBRA empleando el mismo material como blanco (NaI(Tl)) y la misma técnica de detección (centelleo). DAMA/LIBRA es el único experimento que ha presentado una evidencia de la detección de la materia oscura galáctica basada en la observación de una modulación anual en sus datos. ANAIS-112 consta de 9 módulos de detección de 12.5 kg cada uno y una combinación de diferentes tipos de blindaje para asegurar el aislamiento de posibles fondos del experimento.La detección directa de materia oscura implica la detección de la colisión elástica entre un WIMP y un núcleo del detector. Esta colisión es similar a la que se produce en una interacción neutrón-núcleo. La respuesta de los detectores para retrocesos electrónicos, producidos por las fuentes usuales de calibración (fuentes gamma), difiere de la respuesta de los detectores para retrocesos nucleares, siendo la eficiencia relativa entre ambas lo que se conoce como factor de ’’quenching’’. Para determinar experimentalmente este factor es necesario calibrar el experimento con fuentes de neutrones. Existen importantes incertidumbres sobre el valor de este factor de ’’quenching’’ para los núcleos de sodio e yodo en NaI(Tl), por lo que su estudio es importante para la interpretación de los resultados del experimento ANAIS-112 y su comparación con DAMA/LIBRA.En este trabajo se presenta el estudio mediante simulaciones Monte Carlo del dispositivo experimental ANAIS-112 a diferentes fuentes de neutrones haciendo uso del paquete de simulación GEANT4. Se ha hecho una selección de fuentes de neutrones de distintas características, evaluando la viabilidad de su utilización en el LSC y se ha simulado una geometría simplificada y la geometría completa del experimento ANAIS-112. Se ha estudiado la sensibilidad de los espectros de energía depositada en los detectores de ANAIS-112 por los neutrones de las distintas fuentes a diferentes factores de ’’quenching’’, en los rangos energéticos en los que se espera que se produzcan los depósitos de energía en la colisión WIMP-núcleo. Este estudio ha permitido seleccionar las fuentes más adecuadas para poder determinar los factores de ’’quenching’’ del sodio y del yodo en ANAIS-112.<br /

Estudio por Monte Carlo de la sensibilidad a la modulación anual del experimento ANAIS-112

En este trabajo se ha realizado un estudio de la sensibilidad del experimento ANAIS-112 a la modulación anual empleando un método de Monte Carlo. Los resultados obtenidos se han comparado con los valores experimentales de ANAIS-112, las estimaciones de un modelo analítico y los valores de la amplitud de modulación observados por el experimento italiano DAMA/LIBRA. A partir de las simulaciones llevadas a cabo se han realizado estimaciones de la sensibilidad a la modulación anual que podría alcanzar ANAIS en los próximos años. Además se ha estudiado la influencia de algunos de los efectos sistemáticos, como la distribución de tiempo vivo y la eficiencia de detección del experimento.<br /

Identificación de la desintegración de estados isómeros del Ac-228 en ANAIS-112 mediante técnicas de machine learning

Para un experimento de detección de materia oscura como ANAIS-112, la identificación y selección de sucesos de centelleo es primordial, dado que la región en la que se produce la modulación anual en el ritmo de detección es de baja energía (1-6 keV), donde predominan los sucesos de ruido. Este trabajo se ha centrado en las desintegraciones del 228Ra al 228Ac, que tiene estados excitados metaestables, cuya desintegración podría afectar a la región de interés en ANAIS-112. El objetivo de este trabajo ha sido desarrollar un algoritmo de identificación de los pulsos dobles de la desintegración de los estados isómeros del 228Ac utilizando una técnica de aprendizaje automático llamada BDT. Para ello se ha realizado una generación de poblaciones sintéticas de pulsos simples y dobles, se ha efectuado desde cero y de manera progresiva, implementando poco a poco distintas mejoras hasta conseguir pulsos similares a los que se detectan en los cristales de NaI(Tl) de ANAIS-112.<br /

Calibración con neutrones del experimento ANAIS-112

ANAIS-112 es un experimento de detección directa de Materia Oscura localizado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC) con 112,5 kg de NaI(Tl) en fase de toma de datos. El objetivo de ANAIS-112 es confirmar o refutar el controvertido resultado del experimento DAMA/LIBRA: la observación con alto significado estadístico de una modulación en su ritmo de detección compatible con la esperada para las denominadas genéricamente WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) del halo galáctico.Los WIMPs interaccionarían elásticamente con los núcleos del detector produciendo retrocesos nucleares de muy baja energía e indistinguibles de los que produciría un neutrón. Por lo tanto, para caracterizar las señales que produciría un WIMP, es necesario calibrar los experimentos de detección directa de Materia Oscura con fuentes de neutrones. El objetivo principal de este trabajo es realizar una calibración con una fuente de fisión espontánea de Cf-252 del experimento ANAIS-112.Para ello, se determinará la viabilidad de la misma mediante simulaciones de Monte Carlo (MC) de la geometría completa del experimento ANAIS-112 haciendo uso del paquete de simulación GEANT4. Este estudio previo, permitirá determinar las condiciones óptimas para el posicionamiento de la fuente, así como el tiempo de medida requerido mediante la comparación de los ritmos de sucesos esperados frente a los del fondo radiactivo del experimento. Para poder comparar las simulaciones y la medida es necesario conocer los factores de eficiencia relativa para el centelleo de retrocesos nucleares frente a depósitos energéticos de electrones equivalentes. En este trabajo, consideraremos distintos valores para dichos factores de eficiencia relativa y comprobaremos si reproducen adecuadamente la respuesta de los detectores de ANAIS-112. La comparación de la simulación con la medida realizada en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc, además, nos permitirá determinar las regiones dominadas por depósitos energéticos de retrocesos nucleares. La identificación de estas regiones nos permitirá investigar, por ejemplo, la diferente forma de los pulsos de centelleo asociados a retrocesos nucleares y retrocesos electrónicos, que afectan a las eficiencias de detección de sucesos en el experimento.<br /

Análisis de datos del módulo "Blank" de ANAIS-112

Análisis de datos obtenidos en el experimento del LSC, ANAIS-112 en la búsqueda de una posible correlación entre la concentración de Radón en el ambiente con los parámetros ambientales y el ritmo de detecciones del modulo "Blank", un detector sin cristal. Además de realizar una simulación del módulo para estudiar las interacciones que este tiene con las partículas producidas por las desintegraciones de la cadena radioactiva del Radón.<br /

Simulación MC de la generación, propagación y recogida de luz en un módulo de ANAIS-112. Comparación con datos experimentales

El experimento ANAIS-112 estudia la modulación anual producida por la materia oscura y trata de constatar los resultados positivos obtenidos por el experimento DAMA/LIBRA en el Laboratorio Nacional del Gran-Sasso (Italia). Una parte importante del análisis de la señal se lleva a cabo mediante simulaciones ópticas. En este trabajo se recrearán procesos desarrollados en ANAIS-112 y se estudiarán sucesos especiales que puedan afectar a la región de interés de ANAIS-112, al mismo tiempo que se compara con datos experimentales.<br /