Véronique SANGLARD 30 Novembre 2005

Recherche de la matière noire non Recherche de la matière noire non baryonique à l’aide de détecteurs à baryonique à l’aide de détecteurs à

double composante ionisation et chaleur double composante ionisation et chaleur ::

Analyse et interprétation des données Analyse et interprétation des données de l’expérience EDELWEISS-Ide l’expérience EDELWEISS-I

Véronique SANGLARDVéronique SANGLARD30 Novembre 200530 Novembre 2005

2V. SANGLARD – Soutenance de thèse –

30/11/05

PLAN DE L’EXPOSEPLAN DE L’EXPOSE

1. La matière noire

2. La détection directe & EDELWEISS

3. Analyse et Interprétation des données d’ EDELWEISS-I

Étalonnage neutrons

Limite supérieure sur un signal WIMP

Conclusion & Perspectives

1. La matière noire 1. La matière noire

1. La matière noire 4V. SANGLARD – Soutenance de thèse –

30/11/05

La matière noire dans l’UniversLa matière noire dans l’Univers

Univers plat

Ω = ΩΛ + ΩM = 1Énergie noire

70 %

Non baryonique

~ 25 %

< 5 %Baryons noirs Noire

< 30 %

30 %

MatièreLumineuse< 1 %

WIMPsNeutralinos (de la supersymétrie)

Chaude

Froide

WIMPs


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Weakly Interactive Massive Particle Densité :

Interaction faible avec la matière

Candidat théorique : neutralino de la supersymétrie = LSP

Particule de Majorana , spin = 1/2 Neutre de charge, de couleur Stable (si la R-parité est conservée) reliquat présent de nos jours Interaction avec nucléon : entre 10-11 et 10-5 pb Masse : entre 40 GeV/c² et 1 TeV/c²

La matière noire – Le WIMPLa matière noire – Le WIMP

χχ


30/11/05

Le WIMP – Détection directe ou indirecteLe WIMP – Détection directe ou indirecte

Détection indirecte : détection des produits d’ annihilation de 2 WIMPs au centre de la galaxie, de la Terre ou du Soleil Neutrinos

AMANDA, ANTARES, SuperKamiokande

Particules des rayons cosmiques ( ) PAMELA, AMS-02

Rayons gammas HESS, CANGAROO, EGRET, GLAST

Détection directe : interaction d’un WIMP avec une cible placée dans un laboratoire (diffusion sur un noyau) recul nucléaire mesurable

eDp ,,

ANTARESAMANDA

SUPER-K

HESS

EGRET

AMS

2. La détection directe & EDELWEISS2. La détection directe & EDELWEISS

2. La détection directe & EDELWEISS 8V. SANGLARD – Soutenance de thèse –

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La détection directe – Principe La détection directe – Principe

Mise en évidence de la diffusion élastique d’un WIMP sur un noyau cible

Flux de WIMPs : loc = 0.3 GeV/c²/cm3 Distribution maxwellienne des vitesses

avec vmoy = 250 km/s Pour MW ~ 100 GeV/c²

Densité moyenne : 3000 WIMPs/m3 Flux sur Terre : 75000 WIMPs/cm²/s

Pour σW-N entre 10-5 et 10-11 pb entre 1 evt/kg/j et 1 evt/t/an

WIMP (du halogalactique)

noyau(dans

laboratoire) mesure de l’énergie du recul nucléaire

WIMP diffusé

Recul nucléaire ER


30/11/05

La détection directe – Contraintes La détection directe – Contraintes expérimentalesexpérimentales

Sensibilité maximale pour MW ~ MA

Taux < 1 evt/j/kg de détecteur Bruit de fond radioactif extrêmement bas

Expériences placées dans des laboratoires souterrains Matériaux d’une grande radiopureté Blindages actif et passif

Nécessité d’ une très grande masse de détecteur (~ 1 tonne)

Énergie de recul moyenne déposée entre 10 et 50 keV Nécessité d’un seuil proche des limites des détecteurs classiques (NaI,

Ge, Si)


30/11/05

Identification des reculs nucléaires Les particules du bruit de fond (, , ) produisent des reculs

électroniques Les interactions de neutrons induisent des reculs nucléaires

Forme du spectre de recul Dépend de MW et de W-N

Forme des spectres des bruits de fond : inconnue/difficilement prédictible

Interaction cohérente (cas indépendant du spin) A² (détecteurs avec différents noyaux-cibles)

Taux d’interaction uniforme dans tout le volume (contrairement aux particules du bruit de fond)

Absence d’interactions multiples (interaction faible) contrairement aux neutrons

Directionnalité des reculs nucléaires Modulation annuelle du taux d’événements (quelques %)

La détection directe – Signatures du WIMPLa détection directe – Signatures du WIMP

Pas dans EDELWEISS


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La détection directe – Techniques La détection directe – Techniques

WIMP

Chaleur

Ionisation

Lumière

Ge

Xe liquide

NaI, Xe

Ge, Si

CaWO4, BGO,

Al2O3

Al2O3, LiF

Interactionélastique

WIMP

Noyau cible

CRESST

CDMS

EDELWEISS

XENON

ZEPLIN

GERDA(0)

ROSEBUD


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Recul nucléaire crée 3 fois moins de paires e-/t qu’un recul électronique

Différence facteur de quenching Q = /n ( ~ 3 eV, n ~ 10 eV (Ge))

Mesure simultanée de l’ionisation et de la chaleur mesure de Q=EI/ER discrimination événement par événement des reculs électroniques et nucléaires

La détection directe – Facteur de quenching La détection directe – Facteur de quenching du Gedu Ge

Recul électronique Recul nucléaire

Q

ER

Reculs électroniques

Reculs nucléaires

1

EC

EI

Reculs électroniques

Reculs nucléaires


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La détection directe – EDELWEISS La détection directe – EDELWEISS

Au LSM (sous ~1700 m de roches) : Flux de µ ~ 4/m²/j Flux de n ~ 1.6 x 10-6/cm²/s

Protections de l’expérience : Blindages externes :

30 cm de paraffine (n) 15 cm de Pb () 10 cm de Cu (X)

Blindages internes : 3 cm de Pb archéologique () Balayage de N2 (Rn)


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Détecteurs = bolomètre à double voie ionisation et chaleur (3x320g) Chaleur : ΔT = ΔE/C avec C T3 détecteurs cryogéniques (T ~ 17

mK) senseur thermique NTD-Ge Ionisation : cristal SC (Ge) avec électrodes + polarisation

2 électrodes (Al) dont une segmentée définition d’un volume fiduciel ~ 57 %

Couche amorphe (Si ou Ge) amélioration de la collecte de charge

La détection directe – EDELWEISS – La détection directe – EDELWEISS – Détecteurs Détecteurs

NTD

Anneau de garde

Électrode centrale

3. Analyse et Interprétation des 3. Analyse et Interprétation des donnéesdonnées

3. Analyse et Interprétation des données 16V. SANGLARD – Soutenance de thèse –

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Déterminations des amplitudes des signaux Étalonnage gamma (runs 57Co et 137Cs)

Étalonnage en énergie Vérification de la qualité de la collecte de charge

Étalonnage neutron Détermination des coupures de sélection

(volume fiduciel, reculs nucléaires) Mesure de l’efficacité des coupures

Runs de fond Critère de qualité sur les ensembles de données Spectre en énergie des candidats WIMPs sélectionnés

Limite d’exclusion W-p(MW)

Analyse et Interprétation des donnéesAnalyse et Interprétation des données

ER


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Étalonnage gammas et neutronsÉtalonnage gammas et neutrons

Reculs nucléairesQ ~ 0.3

Source utilisée : 252Cf, émettrice de neutrons et de Source utilisée : 137Cs, émettrice

de

Reculs électroniquesQ ~ 1Reculs électroniques


30/11/05

Utilisation de la variable (Q-Qréf)/(1-Qréf )

avec Qréf = 0.16ER0.18

reculs nucléaires centrés en 0 reculs électroniques centrés en 1

Distribution pour un ΔER gaussiennes

Définition des zones Reculs électroniques :

|Q - Q | 3.29Q Reculs nucléaires :

|Q - Qn| 1.645Qn

Étalonnage neutrons – Zones de reculsÉtalonnage neutrons – Zones de reculs


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Étalonnage neutrons – Zones de reculsÉtalonnage neutrons – Zones de reculs

Valeur centrale : Q ~ 1

Qn = 0.14ER0.20

Qréf =

0.16ER0.18

Écart-type : Q, loi correspondant à

la propagation d’erreurs sur les résolutions expérimentales

Qn , constante C à ajouter quadratiquement (interactions multiples, straggling)


30/11/05

Étalonnage neutrons – Seuils en énergie de Étalonnage neutrons – Seuils en énergie de reculrecul

Les différentes populations (a) Population de référence : Evts dans GGA3 si un neutron dans GSA1 ou

GSA3

(c) Événements dans GGA3 avec EI > 2.5 keVee

(b) Événements dans GGA3 avec une amplitude > seuil chaleur en ligne

(d) Événements dans GGA3 dans la zone de reculs nucléaires et hors zone de reculs e-

Détermination du seuil en ER de GGA3 grâce aux coïncidences avec les 2 autres détecteurs

Efficacité = Population (d) / Population (a)


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Seuils en énergie – Simulation des Seuils en énergie – Simulation des détecteursdétecteurs

Simulation de l’effet des résolutions expérimentales sur l’efficacité de détection en fonction de l’énergie de recul

Étude des différentes configurations des différents détecteurs pour les runs de 2000-2003

Les seuils (à 50 %) expérimentaux mesurés sont bien expliqués par les résolutions expérimentales

Seuil (à 50 %) en énergie de recul pour la totalité des données d’EDELWEISS-I : 15 keVRun Détecteur

Seuil mesuré (keV)

Seuil simulé (keV)

2000 GeAl6---

23.0 ± 0.531.0 ± 0.537.0 ± 0.5

2002 GGA1 13.9 ± 0.5 14.0 ± 0.5

2003iGSA3

GSA1(1)GSA1(2)

GGA3

14.1 ± 0.817.8 ± 0.7

-22.7 ± 1.4

13.0 ± 0.518.0 ± 0.524.0 ± 0.521.0 ± 0.5

2003pGSA3GSA1GGA3

12.9 ± 0.211.7 ± 0.210.9 ± 0.3

12.0 ± 0.511.0 ± 0.511.0 ± 0.5


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Bilan de l’étalonnage neutrons Bilan de l’étalonnage neutrons

Zones de reculs nucléaires et électroniques

Collisions inélastiques n + Ge n’ + Ge + 2 niveaux excités par les

interactions de neutrons 13.26 keV avec t=2.95 µs 68.75 keV avec t = 1.74 ns

Discrimination reculs n/e- > 99.9 % au dessus de 15 keV


30/11/05

Étalonnage neutrons – SimulationsÉtalonnage neutrons – Simulations

Neutrons constituent un fond à estimer de manière quantitative

Nécessité de disposer d’une simulation complète de l’expérience

Validation par comparaison avec résultats expérimentaux d’un étalonnage

Simulations effectuées avec le code GEANT3 modifié

Géométrie introduite avec les blindages, le cryostat, les détecteurs, …


30/11/05

Étalonnage neutrons – simulationsÉtalonnage neutrons – simulations

Données issues de la simulation dégradées avec les résolutions expérimentales et un facteur ajusté pour reproduire le straggling du quenching des reculs nucléaires


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Étalonnage neutrons – simulationsÉtalonnage neutrons – simulations Comparaison entre les résultats de

la simulation et les données expérimentales d’un étalonnage neutron

En terme de nombre absolu d’événements :

L’activité de la source a été mesurée à 20.1 ± 1.1 n/s

On obtient un rapport MC/data de 1.48 ± 0.05

Autres résultats MCNP (Edelweiss) : < 10% CDMS : < 10%

Erreur systématique de 48% En terme de pente des spectres en

énergie de recul Calcul entre 15 et 60 keV Différence < 10 %

En terme de coïncidences : rapport simples/double ~ 11

Simulation fond neutron Simple/double ~ 11 Simple = 1.7 ± 0.1(stat) ±

0.8(syst)


30/11/05

Discrimination des reculs nucléairesDiscrimination des reculs nucléaires

Étalonnage gamma avec une source de 137Cs

Contamination fortuite du porte-source par du 252Cf

Observation de coïncidences entre reculs nucléaires

Taux de gammas ~ 1 Hz Identification d’une source de

neutrons émettant à un taux < 0.3 mHz

Le signal WIMPLe signal WIMP


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But : taux d’événements expérimental (R) limite sur σW-A (section efficace d’interaction WIMP-noyau)

2 couplages WIMP-noyau : Indépendant du spin ou scalaire (SI) qui domine généralement en

supersymétrie Dépendant du spin ou axial (SD)

Calcul du Spectre de recul théorique de WIMPs à partir de « Lewin & Smith, Astropart. Phys. 6 (1996) 87 »

Signal WIMP Signal WIMP


30/11/05

Expression du spectre en énergie théorique de WIMPs :

Distribution de vitesses des WIMPs dans le halo

vesc = vitesse d’échappement de la galaxie

vT = vitesse de la Terre dans la galaxie

S = facteur d’échelle nucléon-noyau

= A²(µA/µp)²

F(ER) = facteur de forme nucléaire

Signal WIMP – Calcul du spectre théorique Signal WIMP – Calcul du spectre théorique






= A²(µA/µp)²







= A²(µA/µp)²







= A²(µA/µp)²







= A²(µA/µp)²



30/11/05

Signal WIMP – Facteur de forme Signal WIMP – Facteur de forme

Effet dû au facteur de forme Diminution du taux d’événement Entre un noyau de Ge et un noyau d’I : le F(q) R et le A R

R (/kg/j)

ER moy (keV)

Sans

F(E)

7.06 42.3

Avec

F(E)

3.77 23.9


30/11/05

Signal WIMP – Simulation Signal WIMP – Simulation

Simulation par Monte-Carlo de l’effet des résolutions expérimentales et de la sélection des reculs nucléaires sur les spectres de reculs théoriques en énergie de recul

Obtention d’un spectre de recul simulé pour

une masse de WIMP donnée une section efficace WIMP-nucléon

donnée une configuration expérimentale

donnéeMW

(GeV/c²)R (/kg/j)

pour Ge et =10-5 pb

20 0.364

40 1.522

100 1.787

500 0.565

Interaction SI avec A = 72.61


30/11/05

Signal WIMP – Diagramme d’exclusionSignal WIMP – Diagramme d’exclusion

Méthode : Résultat expérimental : on observe Nobs en Texp kg.j

Si Nobs=0, ou si présence d’un bruit de fond que dire du taux d’événements WIMPs, R

Établissement d’une limite supérieure Loi statistique obtention de µexc (nombre d’événements exclu par

l’expérience) pour un niveau de confiance CL donné Exp : loi de Poisson, Nobs=0 exclu modèles prédisant µ > 2.3 événements à

90% CL et µ > 3 événements à 95% CL

Si une section efficace réf produit en moyenne µréf événements en Texp

kg.j, alors

exc > (réf µexc)/µréf

Représentation des données sous la forme de courbe de exc(MW) diagramme d’exclusion

La méthode de YellinLa méthode de Yellin


30/11/05

La méthode de YellinLa méthode de Yellin

Si présence d’un bruit de fond inconnu dans les données

Pas de soustraction possible Loi de Poisson trop pessimiste Nouvelle méthode développée par

S. Yellin (CDMS)PRD 66 (2002) 032005

Ingrédients : Spectre expérimental en énergie

de recul Spectre théorique de WIMPs

2 méthodes Maximum Gap Optimum Interval

Choix de l’intervalle donnant la plus grande contrainte + correction du biais introduit


30/11/05

Identification de l’intervalle contraignant le plus le signal est plus simple si on utilise

comme variables non pas ER mais et µ = intégrale du spectre attendu

Maximum gap = Intervalle le plus grand entre 2 événements qui contraint le plus le signal

Optimum interval = Intervalle le plus grand avec n événements (n=0,1,2, …) qui contraint le plus le signal

Choix de n donnant la meilleure limite n’est pas évident Taille de l’intervalle augmente avec n Limite de Poisson se détériore avec n croissant

La méthode de Yellin – Transformation de variableLa méthode de Yellin – Transformation de variable

RE

RRdE

dEdNx

0'


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C0 = probabilité que la taille de l’intervalle maximal soit > x pour un nombre total d’evts µ

On connaît x et on augmente µ pour avoir C0(x,µ) = 0.9 µ = µexc

Simulation avec comme but de vérifier la formule du C0

Génération de K expériences avec N événements (donné par une distribution de poisson de valeur moyenne µ)

Assignation d’une énergie (entre 0 et 1) à chaque événements

Détermination du plus grand intervalle sans événements (longueur maximum g )

Distribution des K valeurs de g 90% des g < g90

On vérifie que C0(g90µ,µ)=90%

La méthode de Yellin – Maximum GapLa méthode de Yellin – Maximum Gap

µ g90 90 % g95 95 %

5 0,658 89.9 0,759 94.4

15 0,316 90.2 0,359 95.2

25 0,212 90.0 0,239 95.0


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La méthode de Yellin – Optimum IntervalLa méthode de Yellin – Optimum Interval

Généralisation de C0 à Cn

Cn(x,µ) probabilité de trouver un intervalle, avec n evts, x pour un nombre total d’evts µ

Problème 1 : Pas de formule analytique simple

S. Yellin a calculé les par Cn Monte-Carlo

Tables et programmes d’interpolation disponibles

Problème 2 : Choix de prendre le n qui donne la meilleure limite biaise cette limite

S. Yellin a calculé une table de correction de ce biais

Niveau de confiance à 90% non pas donné par Cn(x,µ) = 0.9 mais par Cn(x,µ) = CMax(0.9,µ)

Table de CMax(0.9,µ) et programmes d’interpolation disponibles


30/11/05


Regarde tous les intervalles avec 0,1,… n evts n+1 intervalles maximaux : gn = xn/µ

Résolution de Cn(gn µ,µ) = CMax(0.9,µ)

Calcul des µn solutionnant cette équation le plus petit des µn = µexc

Exemple : 5 evts dans le spectre rèf = 10-5 pb, MW = 30 GeV/c²

µ = 9.75 evts attendus dans le spectre

µmin = µ1 = 5.36 evts

exc = 5.4910-6 pb


30/11/05


Simulation : K expériences avec N evts

(moyenne des N = µ) Calcul des différents intervalles

maximales avec 0, … N evts = gn

Calcul des µn qui solutionnent Cn(xn,µ) = CMax(0.9,µ)

Détermination du plus petit des µn pour chaque expérience = µexc

Distribution des µexc

Vérification que 90 % des expériences donnent un µexc > µ

Remarque : Les pics Cn(µ,µ) l’intervalle

choisi par la méthode = intervalle en entier

µ 90 % 95 %

5 90.4 ± 0.2

96.0 ± 0.1

10 89.8 ± 0.2

94.6 ± 0.3

15 89.9 ± 0.2

94.7 ± 0.3

Interprétation des donnéesInterprétation des données


30/11/05

Interprétation des données – Prises de Interprétation des données – Prises de donnéesdonnées

Prises de données d’EDELWEISS-I entre 2000 et 2003

4 runs différents 2000 : 1 détecteur 2002 : 3 détecteurs en fonctionnement

mais un seul pour la physique 2003i : 3 détecteurs pour la physique

(déclenchement sur la voie ionisation) 2003p : 3 détecteurs pour la physique

(déclenchement sur la voie phonon) Run 2003p :

Run très stable avec un très bon comportement des détecteurs (4 mois)

Seuils nettement améliorés Taux d’événements entre 30 et 100

keV avant rejet : Tout : 2.00 ± 0.03 evt/kg/j/keV Volume fiduciel : 1.31 ± 0.03

evt/kg/j/keV Simples : 0.98 ± 0.03 evt/kg/j/keV


30/11/05

Interprétation des données – Étude du Interprétation des données – Étude du fondfond

Étude des événements : distribution de (Q-Qréf)/(1-Qréf)

Comparaison avec étalonnage gamma et neutron

Simples : queue qui atteint région des reculs nucléaires (à basse énergie)

Coïncidences : diminution significative de la queue

Libre parcours moyen des particules de cette queue < 2 mm événements de surface ?

Manque de statistique pour conclure

Présence d’une coïncidence en reculs nucléaires : Fond neutron ?

Estimation du nombre de simples sur doubles ~ 11 (exp.)

Simulation GEANT3 en 62 kg.j : 1.7 ± 0.1(stat) ± 0.8(syst) neutrons

2 populations dans le bruit de fond ? Mais pas assez de statistique pour les quantifier

Ces fonds seront réduits dans EDELWEISS-II


30/11/05

Interprétation des données – Spectre en Interprétation des données – Spectre en énergieénergie

Sélection d’un candidat WIMP : 75 % de la charge collectée sur

l’électrode centrale EI > seuil (mis en ligne ou hors ligne)

(Q,ER) dans la zone de reculs n et hors zone de reculs e-

Interaction simple + pour 2003p

Ec > seuil mis en ligne

²NTD > ²norm

>10(keV)

>15(keV)

>20(keV)

>30(keV

)

>100(keV)

2000 2 2 2 - -

2002 5 2 1 1 1

2003i 20 17 8 2 1

2003p

34 19 11 3 1

Edel-I 61 40 22 6 3


30/11/05

Interprétation des données – Exclusion Interprétation des données – Exclusion

40 événements considérés > 15 keV

Utilisation de la méthode de Yellin

Pas de soustraction de fond Obtention des limites avec un

C.L. de 90% Limite identique à celle de 2002

avec une exposition 4 fois plus élevée et la présence d’un bruit de fond

Meilleure sensibilité : 1.5 10-6 pb à 80 GeV/c²

Limite : 0.12 evt/kg/j entre 30 et 100 keV

Comparaison avec d’autres expériences :

CDMS 2005 : 1.710-7 pb pour 60 GeV/c² (Ge)

CRESST 2004 (CaWO4) DAMA NaI-4 (modulation

annuelle)


30/11/05

Interprétation des données – ExclusionInterprétation des données – Exclusion Intervalles en énergie et nombre d’événements sélectionnés par la méthode de

Yellin pour chaque masse de WIMP Intervalles choisis sont consistants avec le spectre expérimental Pour M~20 GeV/c² choix de l’intervalle avec le plus d’événements (quasi-

poisson) Pour M~100 GeV/c² choix de l’intervalle entre 33 et 87 keV (le plus grand

intervalle en énergie avec seulement un événement) En sélectionnant les événements > 30 keV (seuil déterminé à posteriori), la limite

est meilleure mais totalement biaisée


30/11/05

Interprétation des données – PrédictionsInterprétation des données – Prédictions

Zones hachurées = prédictions supersymétriques

Points = benchmarks en SUSY

Actuellement : 0.1 evt/kg/j Expérience en cours :

CDMS-II, EDELWEISS-II, CRESST-II, … 10-8 pb explorations de nombreux benchmarks

Futur : EURECA, SuperCDMS, … 10-10-11 pb


30/11/05

ConclusionConclusion

Grâce aux étalonnages neutron, on comprend très bien notre sélection de reculs nucléaires et on peut en mesurer son efficacité

La simulation exacte des différents bruits de fond est difficile à mettre en œuvre.

La présence de fonds dont la forme du spectre n’est pas connue précisément a entraîné l’utilisation de la méthode de Yellin

Les résultats d’EDELWEISS-I Run 2003p : stabilité des détecteurs et très bonnes performances

pendant plusieurs mois Apparition d’un bruit de fond : neutrons et événements de surface ? Limites extraites avec 40 événements pour ER > 15 keV 1.510-6 pb

à 80 GeV/c²


30/11/05

PerspectivesPerspectives

Leçons pour EDELWEISS-II : sensibilité espérée = 0.002 evt/kg/j Fond neutron :

Augmentation du blindage en PE (30 50 cm) Véto µ entourant l’expérience Augmentation du nombre de détecteurs 3 28 110 ( interactions

multiples) Événements de surface :

Vérification de la pureté radioactive des matériaux (sélection drastique des matériaux = mesure + simulation)

Salle blanche autour de l’installation + usine à radon Possible localisation de l’interaction avec des senseurs NbSi (7400g dans

EDELWEISS-II) Utilisation d’électrodes plus épaisses (> 20 µm)

Suite : Méthode de Yellin : Étude à 2 dimensions (Q, ER) Analyse des données : passage à la configuration EDELWEISS-II R&D : Étalonnage avec une source d’électrons

Documents

Véronique SANGLARD 30 Novembre 2005