Characterisation of photo-multiplier tubes and detector design studies for direct detection searches of dark matter
par
Amphi PASCAL
Subatech IMT Atlantique Nantes
Rapporteurs avant soutenance :
Chiara Maria Angela RODA Professor Universitá di Pisa, Pisa, Italy
Fabrizio PETRUCCI Associate Professor Universitá di Roma Tre, Roma, Italy
Composition du Jury
Examinateurs : Yajing XING Maitresse de Conference Sorbonne Université, Paris, France
Lorenzo FELIGIONI Directeur de Recherche CNRS/IN2P3, CPPM, Marseille, France
Dominique THERS Professor IMT Atlantique, SUBATECH, Nantes, France
Directrice de thèse : Sara DIGLIO Chargée de Recherche, CNRS/IN2P3, SUBATECH, Nantes, France Co-directrice de thèse : Elisabetta BARBERIO Professor, University of Melbourne, Australie
Co-superviseur de thèse : Phillip URQUIJO Professor, University of Melbourne, Australie
Titre : Caractérisation de tubes photomultiplicateurs et études de conception de détecteurs pour la recherche directe de matière noire
Mots clés : Dark matter; direct detection; photosensors; liquid xenon; NaI(Tl)
Résumé : Les observations astrophysiques et cosmologiques fournissent des preuves convaincantes que la majorité de la matière de l’Univers est non lumineuse, et pourtant sa nature fondamentale demeure non résolue. Un programme mondial d’expériences de détection directe aborde cette question au moyen de matériaux cibles et de technologies complémentaires. Cette thèse présente des contributions à deux de ces programmes. SABRE South, au laboratoire souterrain de physique de Stawell, fournira le premier test, dans l’hémisphère sud, du signal de modulation annuelle revendiqué par DAMA/LIBRA, à l’aide de cristaux de NaI(Tl) de très haute pureté. La contribution à SABRE South porte sur le développement de dispositifs expérimentaux et de techniques d’analyse pour caractériser les tubes photomultiplicateurs Hamamatsu R11065-20, comprenant la mesure du gain, du taux d’obscurité, des post-impulsions et des taux d’émission de lumière corrélée. S’appuyant sur ces résultats de caractérisation, la thèse développe également un modèle de classification permettant de discriminer les signaux de scintillation du bruit de fond des photomultiplicateurs, améliorant l’efficacité de signal jusqu’à 20 pour cent par rapport à l’approche par coupures, au seuil de 10 photoélectrons (~1 keV). XLZD, issu de la convergence des collaborations XENONnT, LUX-ZEPLIN et DARWIN, vise à déployer une chambre à projection temporelle à xénon liquide diphasique de 40 à 80 tonnes. Les contributions à XLZD comprennent la mise en service de XeLab, première chambre à projection temporelle à xénon liquide diphasique en France, dédiée à l’étude du problème d’affaissement des électrodes ; ainsi que des études de conception par simulation optique examinant l’influence de la géométrie du détecteur et de la disposition des photodétecteurs sur l’efficacité de collecte de la lumière et, par conséquent, sur la sensibilité à la matière noire.
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Title : Characterisation of photo-multiplier tubes and detector design studies for direct detection searches of dark matter
Keywords : Dark matter; direct detection; photosensors; liquid xenon; NaI(Tl)
Abstract: Astrophysical and cosmological observations provide compelling evidence that the majority of matter in the Universe is non-luminous, yet its fundamental nature remains unresolved. A global programme of direct-detection experiments addresses this question using complementary target materials and technologies.
This thesis presents contributions to two such programmes. SABRE South, at the Stawell Underground Physics Laboratory, will provide the first Southern Hemisphere test of the DAMA/LIBRA annual modulation claim using ultra-high-purity NaI(Tl) crystals. The contribution to SABRE South focuses on the development of experimental set-ups and analysis techniques to characterise the Hamamatsu R11065-20 photomultiplier tubes, including measurements of gain, dark rate, afterpulsing, and correlated light-emission rates.
Building on these characterisation results, the thesis also develops a classification model to discriminate scintillation signals from photomultiplier backgrounds, improving signal efficiency by up to 20 per cent over the cut-based approach at the 10 PE (~1 keV) threshold. XLZD, formed from the convergence of the XENONnT, LUX-ZEPLIN, and DARWIN collaborations, aims to deploy a 40-80 tonne dual-phase liquid xenon time projection chamber. The contributions to XLZD comprise the commissioning of XeLab, the first dual-phase liquid xenon time projection chamber in France, dedicated to investigating the electrode sagging problem; together with optical-simulation design studies that examine how detector geometry and photosensor layout influence light collection efficiency and, consequently, dark matter sensitivity.