Direct detection of non-baryonic Dark Matter with Helium 3
Détection directe de Matière Sombre non-baryonique avec l'hélium 3
Résumé
Results from astrophysics and observational cosmology suggest that the matter content in the Universe is dominated by cold dark matter. Supersymmetric extensions of the Standard Model of particle physics provide a well-motivated candidate for this, the lightest neutralino, which is actively searched using colliders but also with dedicated experiments. This thesis is devoted to the direct detection of non-baryonic dark matter with helium 3 both for the MACHe3 prototype detector and for the MIMAC-He3 detector project. Related to the MACHe3 detector, which uses superfluid helium 3 at ultra-low temperatures, a data analysis method has been developed to recover the energy spectra of neutrons, cosmic muons and low energy electrons. The possibility to detect events in the keV energy range in helium 3 has been demonstrated. This thesis also includes the development of a new detector as an evolution of MACHe3. It consists of a matrix of micro-TPC filled with gazeous helium 3. It permits the discrimination between nuclear and electronic recoils.
A Monte Carlo simulation has been performed to estimate the rejection power of MIMAC-He3 concerning physical backgrounds. Background event rates are compared to the neutralino predicted rate calculated in the framework of effective phenomenological supersymmetric models. The interest of a helium 3 based detector for axial direct detection of neutralinos has been proved. The complementarity of MIMAC-He3 with indirect and scalar direct detection has been demonstrated.
A Monte Carlo simulation has been performed to estimate the rejection power of MIMAC-He3 concerning physical backgrounds. Background event rates are compared to the neutralino predicted rate calculated in the framework of effective phenomenological supersymmetric models. The interest of a helium 3 based detector for axial direct detection of neutralinos has been proved. The complementarity of MIMAC-He3 with indirect and scalar direct detection has been demonstrated.
Les résultats des expériences en astrophysique et de cosmologie observationnelle semblent indiquer que l'essentiel de la matière dans l'Univers est sous forme sombre, froide et non-baryonique. Les extensions supersymétriques du Modèle Standard de la physique des particules proposent un candidat privilégié, le neutralino le plus léger, qui est activement recherché auprès des accélérateurs mais aussi auprès d'expériences dédiées. Cette thèse est consacrée à la détection directe de matière sombre non-baryonique avec l'hélium 3
dans le cadre du détecteur prototype MACHe3 et du projet de détecteur MIMAC-He3. Dans le cadre de MACHe3 utilisant l'hélium 3 superfluide à ultra-basses températures, une méthode d'analyse des données a été développée pour mettre en évidence les spectres en énergie des neutrons, muons cosmiques et d'électrons de basse énergie. Après avoir montré la possibilité de détecter des événements dans la plage du keV avec l'hélium 3, cette thèse propose le développement d'un nouveau détecteur, MIMAC-He3. Il consiste en une matrice de micro-TPC remplies d'3He gazeux permettant la discrimination entre les reculs nucléaires et électroniques. Une simulation Monte Carlo a été réalisée pour évaluer le pouvoir de discrimination de MIMAC-He3 concernant les bruits de fond physiques. Les taux de bruits de fond simulés sont comparés au taux de neutralino calculé dans le cadre de modèles supersymétriques effectifs pour mettre évidence l'intérêt d'un détecteur à 3He pour la détection de neutralinos par interaction axiale et sa complémentarité avec les détections indirecte et directe scalaire.
dans le cadre du détecteur prototype MACHe3 et du projet de détecteur MIMAC-He3. Dans le cadre de MACHe3 utilisant l'hélium 3 superfluide à ultra-basses températures, une méthode d'analyse des données a été développée pour mettre en évidence les spectres en énergie des neutrons, muons cosmiques et d'électrons de basse énergie. Après avoir montré la possibilité de détecter des événements dans la plage du keV avec l'hélium 3, cette thèse propose le développement d'un nouveau détecteur, MIMAC-He3. Il consiste en une matrice de micro-TPC remplies d'3He gazeux permettant la discrimination entre les reculs nucléaires et électroniques. Une simulation Monte Carlo a été réalisée pour évaluer le pouvoir de discrimination de MIMAC-He3 concernant les bruits de fond physiques. Les taux de bruits de fond simulés sont comparés au taux de neutralino calculé dans le cadre de modèles supersymétriques effectifs pour mettre évidence l'intérêt d'un détecteur à 3He pour la détection de neutralinos par interaction axiale et sa complémentarité avec les détections indirecte et directe scalaire.