Solar Axion search with Micromegas Detectors in the CAST Experiment with 3He as buffer gas

Axions are well motivated particles proposed in an extension of the Standard Model (SM) as a solution to the CP problem in strong interactions. On the other hand, there is the category of axion-like particles (ALPs) which appear in diverse extensions of the SM and share the same phenomenology of the axion. Axions and ALPs are hypothetical neutral particles that interact weakly with matter, being candidates to solve the Dark Matter problem. CAST, the CERN Axion Solar Telescope is looking for solar axions since 2003. CAST exploit the helioscope technique using a decommissioned LHC dipole magnet in which solar axions could be reconverted into photons. The magnet is mounted on a movable platform that allows tracking the Sun ~1.5 hours during sunset and during sunrise. The axion signal would be an excess of X-rays in the detectors located at the magnet bore ends and thus low background detectors are mandatory. Three of the four detectors operating at CAST are of the Micromegas type. The analysis of the data of the three Micromegas detectors during the 2011 data taking campaign at CAST is presented in this thesis, obtaining a limit on the coupling constant of gag < 3.90 x 10-10 GeV-1 at a 95% of confidence level, for axion masses from 1 to 1.17 eV. CAST Micromegas detectors exploit different strategies developed for the reduction of the background level: the intrinsic radiopurity of the detectors; the improvements on the manufacturing process; the event discrimination and the shielding. Moreover, different test benches have been developed in order to understand the origin of the background, in which the set-up at the LSC (Laboratorio Subterráneo de Canfranc) is the one that shows the lower background level. The state of art in low background techniques is shown in the upgrades of the Micromegas detectors at CAST, described in this work, which has led to a reduction of a factor ~6 of the background levels in the Micromegas detectors. It translates in an improvement of the sensitivity of CAST in a factor ~2.5. Beyond CAST a new generation axion helioscope has been proposed: IAXO-the International Axion Observatory. IAXO will enhance the helioscope technique by exploiting all the singularities of CAST implemented into a large superconducting toroidal magnet, dedicated X-ray optics and ultra-low background detectors attached at the end of the magnet bores. A description of the IAXO proposal and the study of the sensitivity of IAXO are presented in this thesis. IAXO will surpass the sensitivity of CAST in more than one order of magnitude, entering into an unexplored parameter space area and by first time in a favored region for axions and ALPs. The use of thin cavities inside long magnets for relic axion detection is particularly appealing, because this type of magnets are already used by the axion community in experiments looking for solar axions, like CAST and are projected in future searches like IAXO. A directional effect could be observed by the use of long thin cavities properly tuned. This case has been studied in this thesis and could provide a strong identificative signature of the direction of the CDM axions

Development of a time projection chamber based on Micromegas technology for CAST(CERN Axion Solar Telescope)

Este trabajo de fin de master describe el proceso de diseño y puesta en marcha de una TPC (Time Projection Chamber), utilizando la tecnología Micromegas, para el experimento de búsqueda de axiones CAST (CERN Axion Solar Telescope) situado en el CERN. El trabajo se divide en dos partes. La primera de ellas es un trabajo bibliográfico y teórico que hace una pequeña introducción al llamado problema CP fuerte de partículas y a la aparición del axión como partícula que resuelve este problema. Se describen sus propiedades y cómo esta partícula encaja dentro de las teorías evolutivas del universo. Se hace también un pequeño recorrido por los experimentos de búsqueda de axiones más importantes, entre los que se encuentran el experimento CAST, motivo de este trabajo. La segunda parte del trabajo se centra en el experimento CAST: en describir sus componentes, su principio de funcionamiento y las motivaciones que llevan a desarrollar el experimento. Finalmente se describe el proceso de diseño y montaje de un detector de rayos-X para este experimento, aplicando técnicas de bajo fondo adquiridas por el equipo de CAST durante sus más de 10 años de experiencia, entre el que se encuentra el Grupo de Investigación de Física Nuclear y Astropartículas (GIFNA) de la Universidad de Zaragoza

Micromegas for the search of solar axions in CAST and low-mass WIMPs in TREX-DM

En este trabajo hemos estudiado la aplicación de los planos de lectura Micromegas, una estructura para la amplificación de la carga en detectores gaseosos, al campo de la detección de sucesos poco probables. En el experimento CAST para la detección de axiones; y en el proyecto TREX-DM para la búsqueda de WIMPs de baja masa. Tanto los axiones como los WIMPs son excelentes candidatos para formar la materia oscura del universo dado que no aparecen como solución ad hoc para resolverlo, sino que se propusieron para solucionar imporantes problemas del Modelo Estandard de física de partículas. Tanto los axiones como los WIMPs producirían un ritmo de sucesos extremadamente bajo y a muy bajas energías. Los detectores Micromegas pueden alcanzar niveles de fondo muy bajas y umbrales de energía por debajo del keV, debido a la granularidad del detector, radiopureza, unifromidad de la respuesta y alta ganancia. Pequeños detectores gaseosos de unos 3 cm de espesor se utilizan en el experimento CAST para la detección de los rayos-x inducidos por los axiones. En este trabajo se muestran los niveles de fondo alcanzados por los detectores del experimento, las técnicas de reducción de fondo y finalmente, en ausencia de una señal positiva, se obtienen límites a la constante de acoplo axion-fotón. Una versión similar, pero superior en tamaño se pretende utilizar para la detección de WIMPs de baja masa en el proyecto TREX-DM. TREX-DM pretende operar un detector a alta presión con un material blanco ligero equipado con planos de lectura Micromegas. Se describe el detector y la puesta a punto del mismo, así como los primeros resultados de la caracterización y la sensibilidad anticipada que puede alcanzar el experimento en caso de operar en un laboratorio subterráneo

Development of time projection chambers with micromegas for Rare Event Searches

The Rare Event Searches is a heterogeneous field from the point of view of their physical motivations: double betha neutrinoless decay experiments, direct detection of WIMPs as well as axions and other WISPs (candidates for the DM, but also motivated by other questions from Particle Physics). The field is rather defined by the requirements of these experiments, essentially a very sensitive detector with low background which is usually operated in underground laboratories. The availability of a rich description of the event registered by the detector is a powerful tool for the discrimination of the signal from the background. The topological description of the interaction that can be delivered by a gaseous TPC is a useful source of information about the event. The generic requirements for a gaseous TPC that is intended for rare event searches are very good imaging capabilities, high gain and efficiency, stability and reliabiligy and radiopurity, which could imply working with particular gases, in absence of quencher and at high pressure, high granularity and the use of state-of-the-art electronics, and everything must be scalable to higher detectors. Such requirements could be fulfilled by TPCs because they are equipped with Micro-Pattern Gas Detectors, like Micromegas. The phenomenology of TPCs is studied in detail and R&D activities to its application to rare event searches are reported, in particular regarding microbulk micromegas, the latest manufacturing technique. A big part of the work has been devoted to the development of libraries and programs for generic Monte Carlo simulations on low energy TPCs and micromegas specific processes (primary charge generation, drift processes, implementation of the readout, generation of the electronic signals) and associated tools for information management and interpretation of the results. The role micromegas detectors have played in the CAST (CERN Axion Solar Telescope) experiment is reviewed, describing the strategies followed to improve the background more than a factor of 50, since the beginning of the experiment to 2011. To provide more precise guidelines aiming to continue and accelerate the encouraging evolution of micromegas backgound in CAST and to deliver prospects for IAXO (International AXion Observatory) an study on the CAST micromegas background is carried out relying in both simulations and tests-benches. Underground operation of CAST detector with a heavy shielding (at least 10 cm lead thickness) and improved radiopurity produced a background about 30 times lower than CAST nominal background, demonstrating the potencial of the detectors. The success of the 2012 upgrade of two of the CAST micromegas detectors, leading to an improvement of a factor 5 in background level, has been the first application/confirmation of the conclusions from these studies. In conclusion, the prospects to the application of micromegas to rare event searchers are encouraging for the issues that were proposed. The tests on the different aspects of the micromegas operation that are demanded by rare event searches (high pressure, particular mixtures, absence of quench) produced encouraging results. Moreover the state-of-the-art micromegas manufacturing technique, microbulk, has been measured to be radiopure. The impressive progression of the background of CAST micromegas detectors may be the most significant milestone. There has been an important advance in the understanding of the background nature, the potential of the different applied strategies and the way the detector performance and the analysis methods interact with the different kinds of background events. It can be assured that this progression, which have improved more than two orders of magnitude from the first micromegas installation, will not stop in the present sunset background level, and the future IAXO helioscope will be provided with more sensitive micromegas detectors. The ultra-low background obtained in the LSC (which is only an upper bound, probably no a real limit for the micromegas) is one of the facts that support this assertion. But its significance goes beyond the application to helioscopes. It demonstrates the possibility of registering ultra-low background below 10 keV with a low energy threshold

Análisis de una señal de WIMPs de baja masa en el experimento TREX-DM

En los experimentos de detección directa de materia oscura se buscan sucesos muy infrecuentes sepultados por un número de eventos de fondo mucho más numeroso. Esto obliga a desarrollar técnicas estadísticas que permitan cuantificar la presencia de un exceso de eventos achacables a la señal o en su defecto, establecer límites superiores. Se presentan aquí los fundamentos del contraste de hipótesis y varios métodos empleados con frecuencia en experimentos de materia oscura para establecer estos límites superiores, como el método del intervalo óptimo y el de máxima verosimilitud.Junto con este estudio de los fundamentos teóricos se realiza un recorrido por los principales experimentos de detección directa de materia oscura centrados en WIMPs de baja masa, con el objetivo de entender sus métodos de análisis y poder llevar a cabo un estudio similar con los primeros datos de TREX-DM, experimento instalado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc.Finalmente, se aplica un método de máxima verosimilitud para establecer límites superiores a una señal de WIMPs a partir de un espectro de fondo. De esta forma se elaboran dos curvas de sensibilidad para TREX-DM, con y sin umbral según el rango de energías seleccionado. Además, a partir de simulaciones de los fondos, se dan curvas de sensibilidad para los tres escenarios considerados en la propuesta original de TREX-DM, así como para el nivel de fondo más bajo alcanzado por un experimento de detección directa de materia oscura, Xenon1T, y su comparación con la curva proporcionada por el equipo de este experimento.<br /

Detección de WIMPs con el detector TREX-DM

En este trabajo se aborda la cuestión de la materia oscura: evidencias y principales estrategias de búsqueda; y el detector TREX-DM en la búsqueda de WIMPs de baja masa: en qué consiste el experimento, como se recoge la señal y su situación actual.Se presenta el modelo de halo de materia oscura y se calculan los ritmos de interacción con distintos elementos para un WIMP sin espín de distintas masas.Además se realiza un análisis de sobre la uniformidad de la ganancia en uno de los dos detectores Micromegas que emplea TREX-DM con una calibración de cadmio 109 y esta información se utiliza para corregir espectros de energía.<br /

Experimento IAXO para la detección de axiones: señal y fondo en el prototipo IAXO-D0

En esta memoria se lleva a cabo una introducción al mundo axiónico, analizando el surgimiento de esta partícula hipotética, sus propiedades, su candidatura como Materia Oscura y las principales estrategias de detección directa, entre las que destaca IAXO, helioscopio de cuarta generación en el que se centra este trabajo, cuyo objetivo es valorar si es factible en términos de sensibilidad y ganancia el cambio del gas activo del detector de argón a xenón para disminuir el nivel de fondo y mejorar la eficiencia del conjunto. En base a los resultados arrojados por la cámara TREX-0 en la comparación de ganancias relativas máximas entre la mezcla de Ar+2%Iso y distintas mezclas de Xe+Ne+Iso, se plantean dos hipótesis acerca del factor de ganancia entre ambas mezclas, una menos conservadora que la otra, cuya confirmación exige futuras medidas por parte de la colaboración.<br /

Estudio sobre la producción de axiones en el Sol y su detección en helioscopios de axiones

Estudio bibliográfico sobre axiones, abarcando qué son, qué motivos justifican su existencia más allá del Modelo de Estándar de Partículas actual, cómo interaccionan con la materia, cómo se producen y cómo se pueden detectar. Aplicación posterior de esos conocimientos en la obtención de la curva de sensibilidad de dos experimentos, IAXO y BabyIAXO, cuyo objetivo es detectar axiones solares. Además, se propone una alternativa a la fase II de estos experimentos, redistribuyendo el tiempo de medida para buscar en distintos valores del rango de parámetros de la masa del axión y su constante de acoplo con fotones.<br /

Estudio del efecto de los fondos ambientales en la sensibilidad del experimento BabyIAXO a axiones solares

En esta memoria se lleva a cabo una introducción teórica sobre la física de axiones (QCD y ALPs), analizando su origen, propiedades y consecuencias de su existencia. También se trata las diferentes estrategias de detección experimentales, centrándose en los helioscopios, en concreto, IAXO y su prototipo BabyIAXO. IAXO será el primer helioscopio de cuarta generación que permita estudiar regiones del espacio de parámetros hasta ahora no alcanzadas con otros experimentos debido a su alta sensibilidad. El objetivo de este trabajo consiste en estudiar un centelleador líquido que permita aprovechar el montaje de IAXO para la detección de axiones de supernova. En base a los resultados obtenidos de las simulaciones de este trabajo se establecen las dimensiones y el material (proporción de plomo diluido) que podría presentar el centelleador, así como las condiciones que tendrían que presentar las diferentes estrategias de reducción de fondo de fotones cósmicos. En este caso, las estrategias de reducción de fondo que se tienen en cuenta son: el uso de un blindaje de plomo, estableciendo el grosor del mismo, y establecer un sistema de vetos, determinado el grosor y una energía umbral en los vetos. Para alcanzar el ritmo deseado del centelleador (~0.1 Hz), al menos, durante la ventana de emisión de axiones de una supernova será necesario realizar un estudio sobre la topología de los fotones cósmicos en el detector para implementar cortes más sofisticados.<br /

El axión como solución a la Materia Oscura del Universo: estrategias para su detección

En esta memoria se revisan las distintas evidencias observacionales que apuntan a la existencia de la materia oscura, y se estudia un posible candidato a componerla: el axión. Asimismo, se recogen las distintas estrategias propuestas para su detección, junto con las restricciones en su masa y acoplamiento con fotones deducidas de distintos experimentos. Por último, se incluye una serie de resultados de simulaciones realizadas en el contexto del experimento IAXO (International Axion Observatory), que serán de utilidad en la puesta en marcha del mismo