Rares Scintillateurs Cryogeniques pour la´ Detection …cmdo.cnrs.fr/IMG/pdf/J13_Verdier_JNCO2009.pdf · Marc-Antoine Verdier Mati`ere Sombre Dans l’Univers De l’inﬁniment

ScintillateursCryogeniques pour

la Detectiond’Evenements

Rares

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Matiere SombreDans l’Univers

De l’infiniment grand al’infiniment petit

Detection de laMatiere SombreMethodes de detection

EDELWEISS

Bolometres Scintillants

EURECA

ScintillateursCryogeniquesSciCryo

BGO

Evenements

Coupures

Constantes de Temps

Rendement Lumineux

Perspectives

Scintillateurs Cryogeniques pour laDetection d’Evenements Rares

Marc-Antoine Verdier

Groupe Manoir / Collaboration EDELWEISSInstitut de Physique Nucleaire de Lyon

Universite Claude Bernard Lyon 1 et IN2P3/CNRS

JNCO 200903/12/2009

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Le Probleme de la Matiere Sombre

1ere observation : 1933 Fritz Zwicky1970, courbes de rotation des galaxies necorrespondent pas a la matiere observee

⇒ Il manque de la masse !

. . .ou alors on ne la voit pas. . .2 / 22



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Perspectives

Qu’est ce que la Matiere Sombre

Represente 23% de l’UniversPresente a toutes les echelles de l’UniversMassive, n’emet pas et n’absorbe pas de lumierePresente depuis Big Bang ET encore de nos joursHalo de matiere sombre enrobe les galaxies

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Le WIMP

Weakly Interacting Massive Particle, candidatdominant pour la matiere sombrePas sensible aux interactions electromagnetiques etfortes

⇒Particule exotique qui ne rentre pas dans le ModeleStandard

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Detection Directe

collision elastique d’un WIMP sur un noyau cible⇒ Detecter cette collision

Masse : 40 GeV (LEP) - 1 TeVVitesse dans le halo galactique ∼250 km/sInteraction depend du A de la cibleRecul nucleaire ∼20 keV

⇒ Tres faible probabilite d’interaction < 1 evt/kg/semaine

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Section Efficace d’Interaction

Detecteur tres sensible⇒ Recherches sur les cristaux importanteMasse de detecteur importante

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Identification du WIMP

Radioactivite naturelle et rayons cosmiques !Laboratoires souterrains, blindagesWIMP vont diffuser sur les noyaux tandis que les α,β et γ vont interagir avec les electrons

Reculs nucleaires⇒ CHALEUR, IonisationReculs electroniques⇒ IONISATION, Chaleur

Facteur de quenching Q = IonisationChaleur

⇒ Possibilite d’identifier et de discriminer les particules7 / 22



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Techniques de Detection Directe

CRESSTROSEBUD

Diffusion élastique sur un noyau dans le détecteur

Wimpsincident Wimps

diffusé

Ionisation

ChaleurScintillation

CDMS

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Détecteur Ge :• HDMS, IGEX• MAJORANA, GENIUSDétecteur Gazeux :• DRIFT (CS2)• MiMac (He3)

Scintillateurs solide :• NAIAD (NaI)• KIMS (CsI)• DAMA/LIBRA (NaI)• ANAIS (NaI)Liquide scintillant :• XMASS (LXe)• DEAP/CLEAN (LAr/LNe)

Bolomètre simple :• plus de manip en cours

Détecteur métastable (dE/dX)• PICASSO (C4F10), SIMPLE : onde sonore• CF3I (COUPP) : chambre à bulle, pression + Camera

Liquide scintillant• XENON, ZEPLIN, LUX (LXe)• ArDM, WARP (LAr/LNe)

Détecteur cryogénique ionisation/chaleur:• EDELWEISS (Ge)• CDMS (Ge + Si)• EURECA (Ge)

Détecteur cryogénique lumière/chaleur:• CRESST (CaWO4)• ROSEBUD (Lif, Al2O3, BGO)• EURECA (???)

DAMA

COUPP

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EDELWEISS au LSM

Laboratoire Souterrain deModane sous 1700 m de rocheFlux de muons : 4 µ/m2/jours⇒ Reduction d’un facteur 106

+ Blindages

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Detection d’evenements rares :WIMP (CRESST, ROSEBUD, EURECA)Autres (Double desintegration β sans ν,Desintegration de noyaux)

Large palette de ciblesPas d’evenements de surface ?Radioactivite intrinseque

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Perspectives

EUropean Rare Event Calorimeter Array

Initie par EDELWEISS II et CRESST + ROSEBUDqui servent de R&D pour EURECAMultiples techniques et cibles (CaWO4, Ge etc)Masse 100 kg→ 1 t

⇒ R&D sur les scintillateurs cryogeniques @ Lyon⇒ These : Developpement d’un setup optique pourl’etude de proprietes de scintillation de cristaux a basse T

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Perspectives

SciCryo

Motivation : R&D sur les scintillateurs afind’augmenter la palette de cible pour la detectiondirecte et d’avoir une meilleure comprehension dufond et/ou d’un eventuel signal dans EDELWEISS IIet la future experienc EURECA.

Financement ANR puis financement Cible (DeSciR)

Collaboration avec :IAS OrsayMPI MunchenLPCML LyonOxford Physic Department

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Cryostat Optique

Utilisation de sources γCryostat optique a circuit d’helium ferme avec pulsetube designe par Air LiquideRegulation de la temperature entre 3 K et 40 KGeometrie compacte : largeur 3 cm (partie optique)Jusqu’a 40% de l’angle solide totalM.-A. Verdier et al. Rev. Sci. Instr. 80, 046105 (2009)

⇒ Etude de l’evolution du rendement lumineux et desconstantes de temps de cristaux avec la temperature 13 / 22



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Perspectives

Bi4Ge3O12

Densite : 7.13 g/cm3

Pic d’emission : 480 nmIndice de refraction : 2.15non hygroscopiquerendement lumineux a 300 K : ∼ 8 photons/keVLuminescence a basse T bien connue (R. Moncorge 1976)

Avantages :bon rendement lumineuxZ (A) eleveFonctionne en tant que bolometre scintillant (N. Coron(2008))

Inconvenients :Radioactif (Bi)Indice de refraction eleve

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Setup

22Na→ coıncidences γ (511 keV)2 cristaux BGOPMTs pour comptage de photonsNumerisation a la ns

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Methode d’Analyse

Time (µs)

Amplitude (V)Scintillation Event in BGO at 20 K

0.0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1.0

-1.2

-1.40 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

ZoomAmplitude (V)

Time (µs)

0.0

-0.1

-0.2

-0.3

-0.4

-0.59.55 9.60 9.65 9.70 9.75 9.80 9.85 9.90 9.95

Methode Multiple Photon Counting Coincidence(MPCC) H. Kraus, et al. (2005)

∼10000 evenements (2 jours) pour chaque TPhotons Individuels : temps, amplitude + ligne debase.Coupures, spectres et evenements moyens.

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Spectres

Construction des spectres en energie de la sourcepour chaque TValeur moyenne du photopic donne le rendementlumineuxSelection des evenements photoelectriques pour lesevenements moyens

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Perspectives

Test Statistique

Probleme des evenements empilesTest statistique sur le temps moyen d’arrivee desphotons de chaque evenement

⇒ Coupure permet d’eliminer les evenements empiles

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Evenement Moyen

somme des bons evenements positionnes en temps⇒ l’evenement moyen.

Ajustement du type N0τ0

e(−tτ0

)+ N1

τ1e(−t

τ1)+ . . . ⇒ τi

setup sensible pour des constantes ∼10ns< τ <1ms

⇒ Evolution des constantes de temps avec T

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Constantes de Temps de Scintillation

Augmentation d’un facteur ∼500 de la constante”principale”Modele d’emission a 3 niveaux (R. Moncorge 1976, V.

Mikhailik (2007)) :1τ = k1+k2e−D/kbT

1+e−D/kbT + Ke−∆E/kbT , utilise pour les αJ. Gironnet, et al. (2008)

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Rendement Lumineux

Correction du rendement lumineux par lesamplitudes et constantes de temps de l’evenementmoyen (temps d’integration fini)Augmentation du rendement lumineux d’un facteur∼5.5 entre 300 K et 3 K

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Conclusion - Perspectives

Scintillateurs cryogeniques peuvent faire office debolometres pour la detection de matiere sombre (etd’evenements rares en general) et peuvent fournirune meilleure comprehension d’un signal WIMP oudu fond (Al2O3, LiF)

Necessite de faire de la R&D sur les scintillateursafin d’augmenter la palette de cibles (radiopurete <10 µBq/kg)

Setup de mesures @ IPNL permet de mesurer, avecdes γ et jusqu’a 3 K : les rendements lumineux et lesconstantes de temps entre qq ∼10 ns a 10 ms gracea la coıncidence 22Na

⇒ Mesures sur BaF2 en cours

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