Analyse des données et étude systématique de la réponse des détecteurs dans le cadre du projet PICASSO

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Nouvelles limites sur la détection directe de la matière sombre avec l’expérience PICASSO

Les observations astronomiques et cosmologiques suggèrent fortement la présence d’une matière exotique, non-relativiste et non-baryonique qui représenterait 26% du contenu de masse-énergie de l’Univers actuel. Cette matière dite sombre et froide serait compo- sée de particules neutres, massives et interagissant faiblement avec la matière ordinaire (WIMP : Weakly Interactive Massive Particles). Le projet PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques de la matière SOmbre) est une des expériences installées dans le site souterrain de SNOLAB à Sudbury en Ontario, qui tente de détecter directement un des candidats de la matière sombre, proposé dans le cadre des extensions supersymétriques du modèle standard : le neutralino. Pour cela, PICASSO utilise des détecteurs à gouttelettes surchauffées de C4F10, basés sur le principe de la chambre à bulles. Les transitions de phase dans les liquides surchauffés peuvent être déclenchées par le recul du 19 F, causé par une collision élastique avec les neutralinos. La nucléation de la gouttelette génère une onde sonore enregistrée par des senseurs piézo-électriques. Cette thèse présentera les récents progrès de l’expérience PICASSO qui ont conduit à une augmentation substantielle de sa sensibilité dans la recherche du neutralino. En effet, de nouvelles procédures de fabrication et de purification ont permis de réduire à un facteur de 10, la contamination majeure des détecteurs, causée par les émetteurs alpha. L’étude de cette contamination dans les détecteurs a permis de localiser la source de ces émetteurs. Les efforts effectués dans le cadre de l’analyse des données, ont permis d’améliorer l’effet de discrimination entre des évènements engendrés par les particules alpha et par les reculs nucléaires. De nouveaux outils d’analyse ont également été implémentés dans le but de discriminer les évènements générés par des particules de ceux générés par des bruits de fond électroniques ou acoustiques. De plus, un mécanisme important de suppression de bruit de fond indésirable à haute température, a permis à l’expérience PICASSO d’être maintenant sensible aux WIMPs de faibles masses.

Étude et caractérisation de détecteurs à liquide en surchauffe

Les preuves astronomiques stipulent qu'environ 4\% de la densité de masse-énergie de l'univers serait composé d'atomes. Le reste est séparé entre la matière sombre, qui représente 24\% de la densité de masse-énergie, et l'énergie sombre, qui s'accapare les 71\% restant. Le neutralino est une particule prédite par la théorie de la supersymétrie et est un candidat à la composition de la matière sombre. Le Projet d'Identification des Candidats Supersymétriques Sombres (PICASSO) vise à détecter le neutralino en utilisant des détecteurs à gouttelettes de C$_4$F$_{10}$ en surchauffe. Lors du passage d'une particule dans les gouttelettes de C$_4$F$_{10}$, une transition de phase aura lieu si l'énergie déposée est au-delà du seuil prédit par le critère de nucléation d'une transition de phase (théorie de Seitz). L'onde acoustique émise durant la transition de phase est ensuite transformée en impulsion électrique par des capteurs piézoélectriques placés sur le pourtour du détecteur. Le signal est amplifié, numérisé puis enregistré afin de pouvoir être analysé par des outils numériques. L'ouvrage qui suit présente les travaux effectués sur la compréhension des signaux des détecteurs à gouttelettes en surchauffe dans le but d'améliorer la discrimination du bruit de fond. Un détecteur à petites gouttelettes, r $\approx 15\mu m$ a été étudié et comparé à une simulation Monte Carlo. Il s'est avéré que les possibilités de discrimination du bruit de fond provenant des particules alpha étaient réduites pour un détecteur à petites gouttelettes, et ce en accord avec le modèle théorique. Différentes composantes du système d'acquisition ont été testées dont le couplage entre le capteur piézoélectrique et la paroi en acrylique, l'efficacité des capteurs piézoélectriques à gain intégré et les conséquences de la force du gain sur la qualité du signal. Une comparaison avec des résultats de l'expérience SIMPLE (Superheated Instrument for Massive ParticLe Experiments) a été effectuée en mesurant des signaux de détecteurs PICASSO à l'aide d'un microphone électrostatique à électret. Il a été conclu que les détecteurs PICASSO ne parviennent pas à reproduire la discrimination quasi parfaite présentée par SIMPLE.

Analyse et modélisation de la réponse des détecteurs du projet PICASSO pour la recherche de la matière sombre

Les mesures cosmologiques les plus récentes ont montré la présence d’un type de matière exotique constituant 85% de la masse de l’univers. Ce type de matière non baryonique serait formé de particules neutres, non relativistes, massives et interagissant faiblement avec la matière baryonique. L’ensemble des candidats est regroupé sous le nom générique WIMP (Weakly Interactive Massive Particles). L’expérience PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques de la matière SOmbre) est une expérience utilisant des détecteurs à seuil d’énergie contenant des gouttelettes surchauffées constituées de C4F10. Cette technique de détection est basée sur le principe de la chambre à bulles. Le projet PICASSO a pour but de détecter directement une particule de matière sombre. Le principe de détection est qu’une particule de matière sombre interagissant avec le liquide actif engendre un recul nucléaire du 19F. L’énergie de recul serait suffisante pour engendrer une transition de phase accompagnée d’un signal acoustique enregistrée par des senseurs piézoélectriques. Dans le cadre de ce mémoire, une simulation du taux de comptage de l’étalonnage des détecteurs PICASSO soumis à des neutrons monoénergétiques a été effectuée en utilisant la théorie de Seitz qui décrit les critères pour qu’une transition de phase ait lieu pour un liquide en état de surchauffe. De plus, un modèle calculant le signal acoustique émis lors d’une transition de phase engendré par différents types de radiations a été créé permettant de caractériser la discrimination entre différents bruits de fond en fonction de l’énergie de seuil. Finalement, un outil d’analyse, la localisation des évènements, a été utilisé pour appliquer des coupures sur le volume dans le but d’améliorer la discrimination alpha-neutron.

Investigating familiar interfaces to help older adults learn computer applications more easily

Many older adults wish to gain competence in using a computer, but many application interfaces are perceived as complex and difficult to use, deterring potential users from investing the time to learn them. Hence, this study looks at the potential of ‘familiar’ interface design which builds upon users’ knowledge of real world interactions, and applies existing skills to a new domain. Tools are provided in the form of familiar visual objects, and manipulated like real-world counterparts, rather than with buttons, icons and menus found in classic WIMP interfaces. This paper describes the formative evaluation of computer interactions that are based upon familiar real world tasks, which supports multitouch interaction, involves few buttons and icons, no menus, no right-clicks or double-clicks and no dialogs. Using an example of an email client to test the principles of using “familiarity”, the initial feedback was very encouraging, with 3 of the 4 participants being able to undertake some of the basic email tasks with no prior training and little or no help. The feedback has informed a number of refinements of the design principles, such as providing clearer affordance for visual objects. A full study is currently underway.

Caratterizzazione e calibrazione dei fotomoltiplicatori del sistema di veto di muoni per l'esperimento xenon1t

Alcune osservazioni sperimentali portano ad affermare che la maggior parte della massa dell'universo è costituita da un tipo di materia definita oscura, cioè materia che interagisce solo gravitazionalmente e debolmente. I candidati più promettenti sono tipicamente identificati con le WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). L'esperimento XENON1T per la rivelazione di materia oscura, in fase di costruzione nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, sfrutta uno spessore di 1.4 km di roccia schermante. Il rivelatore è una Time Projection Chamber contenente circa 2 tonnellate di xeno e avrà sensibilità per sezioni d’urto WIMP-nucleo spin-indipendent pari a circa 2x10-47 cm2 (per WIMP di massa 50 GeV/c2), due ordini di grandezza al di sotto degli attuali limiti. Per raggiungere tale sensibilità la TPC sarà inserita in una tank cilindrica riempita di acqua ultrapura, che fungerà sia da schermo passivo contro la radiazione esterna (gamma e neutroni di bassa energia), sia da veto per i muoni cosmici. I muoni possono infatti produrre neutroni di energia tale da raggiungere la TPC e simulare segnali tipici delle WIMP. Essi sono identificati per via della radiazione Cherenkov, emessa in seguito al loro passaggio in acqua, rivelata per mezzo di 84 fotomoltiplicatori (PMT) 8'' Hamamatsu R5912ASSY HQE. Lo studio delle prestazioni e delle caratteristiche dei PMT utilizzati nel sistema di veto di muoni sono lo scopo di questo lavoro di tesi. In particolare è stato preparato un opportuno setup per i test dei fotomoltiplicatori e sono state effettuate misure di guadagno, dark rate ed afterpulse. In una prima fase sono stati testati in aria 50 PMT presso la Sezione INFN di Bologna, nel periodo compreso tra Novembre 2012 e Marzo 2013 ed in una seconda fase sono stati testati in acqua 90 PMT presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, nel periodo compreso tra Aprile e Settembre 2013.

The XENON1T experiment: Monte Carlo background estimation and sensitivity curves study

Despite the scientific achievement of the last decades in the astrophysical and cosmological fields, the majority of the Universe energy content is still unknown. A potential solution to the “missing mass problem” is the existence of dark matter in the form of WIMPs. Due to the very small cross section for WIMP-nuleon interactions, the number of expected events is very limited (about 1 ev/tonne/year), thus requiring detectors with large target mass and low background level. The aim of the XENON1T experiment, the first tonne-scale LXe based detector, is to be sensitive to WIMP-nucleon cross section as low as 10^-47 cm^2. To investigate the possibility of such a detector to reach its goal, Monte Carlo simulations are mandatory to estimate the background. To this aim, the GEANT4 toolkit has been used to implement the detector geometry and to simulate the decays from the various background sources: electromagnetic and nuclear. From the analysis of the simulations, the level of background has been found totally acceptable for the experiment purposes: about 1 background event in a 2 tonne-years exposure. Indeed, using the Maximum Gap method, the XENON1T sensitivity has been evaluated and the minimum for the WIMP-nucleon cross sections has been found at 1.87 x 10^-47 cm^2, at 90% CL, for a WIMP mass of 45 GeV/c^2. The results have been independently cross checked by using the Likelihood Ratio method that confirmed such results with an agreement within less than a factor two. Such a result is completely acceptable considering the intrinsic differences between the two statistical methods. Thus, in the PhD thesis it has been proven that the XENON1T detector will be able to reach the designed sensitivity, thus lowering the limits on the WIMP-nucleon cross section by about 2 orders of magnitude with respect to the current experiments.

Suche nach Dunkler Materie in Galaxien und Galaxienhaufen mit dem Neutrinoteleskop IceCube

Trotz zahlreicher Hinweise auf die Existenz von Dunkler Materie, konnten entsprechende Teilchen bisher nicht nachgewiesen werden. Eine große Anzahl an Experimenten wird durchgeführt, um die Eigenschaften möglicher Kandidatenteilchen zu untersuchen. Eine Strategie ist die Suche nach einem Neutrinosignal aus den Annihilationen von schwach wechselwirkenden massiven Teilchen (WIMPs) in Regionen mit hoher Dichte von Dunkler Materie. Mögliche Zielobjekte dieser Suchen sind die Erde, die Sonne, das Zentrum und der Halo der Milchstraße sowie entfernte Objekte, die einen hohen Anteil Dunkler Materie aufweisen.In der vorliegenden Arbeit wird die erste Suche nach einem Neutrinosignal von Zwerggalaxien, größeren Galaxien und Galaxienhaufen beschrieben. Da kein Signal nachgewiesen wurde, konnten obere Grenzen auf den Annihilationsquerschnitt von WIMPs gesetzt werden. Die stärksten Grenzen wurden aus der Beobachtung des Virgo-Haufens unter der Annahme einer großen Signalverstärkung durch Unterstrukturen in der Dichteverteilung abgeleitet. Für WIMP-Massen oberhalb von einigen TeV ist das Ergebnis vergleichbar mit Grenzen, die aus der Suche mit Gammateleskopen abgeleitet wurden. Für den direkten Annihilationskanal in zwei Neutrinos konnte der Wirkungsquerschnitt stärker eingeschränkt werden, als in bisherigen Analysen.

Study of the sensitivity of the XENON1T experiment with the profile likelihood method

Oggi sappiamo che la materia ordinaria rappresenta solo una piccola parte dell'intero contenuto in massa dell'Universo. L'ipotesi dell'esistenza della Materia Oscura, un nuovo tipo di materia che interagisce solo gravitazionalmente e, forse, tramite la forza debole, è stata avvalorata da numerose evidenze su scala sia galattica che cosmologica. Gli sforzi rivolti alla ricerca delle cosiddette WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), il generico nome dato alle particelle di Materia Oscura, si sono moltiplicati nel corso degli ultimi anni. L'esperimento XENON1T, attualmente in costruzione presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) e che sarà in presa dati entro la fine del 2015, segnerà un significativo passo in avanti nella ricerca diretta di Materia Oscura, che si basa sulla rivelazione di collisioni elastiche su nuclei bersaglio. XENON1T rappresenta la fase attuale del progetto XENON, che ha già realizzato gli esperimenti XENON10 (2005) e XENON100 (2008 e tuttora in funzione) e che prevede anche un ulteriore sviluppo, chiamato XENONnT. Il rivelatore XENON1T sfrutta circa 3 tonnellate di xeno liquido (LXe) e si basa su una Time Projection Chamber (TPC) a doppia fase. Dettagliate simulazioni Monte Carlo della geometria del rivelatore, assieme a specifiche misure della radioattività dei materiali e stime della purezza dello xeno utilizzato, hanno permesso di predire con accuratezza il fondo atteso. In questo lavoro di tesi, presentiamo lo studio della sensibilità attesa per XENON1T effettuato tramite il metodo statistico chiamato Profile Likelihood (PL) Ratio, il quale nell'ambito di un approccio frequentista permette un'appropriata trattazione delle incertezze sistematiche. In un primo momento è stata stimata la sensibilità usando il metodo semplificato Likelihood Ratio che non tiene conto di alcuna sistematica. In questo modo si è potuto valutare l'impatto della principale incertezza sistematica per XENON1T, ovvero quella sulla emissione di luce di scintillazione dello xeno per rinculi nucleari di bassa energia. I risultati conclusivi ottenuti con il metodo PL indicano che XENON1T sarà in grado di migliorare significativamente gli attuali limiti di esclusione di WIMPs; la massima sensibilità raggiunge una sezione d'urto σ=1.2∙10-47 cm2 per una massa di WIMP di 50 GeV/c2 e per una esposizione nominale di 2 tonnellate∙anno. I risultati ottenuti sono in linea con l'ambizioso obiettivo di XENON1T di abbassare gli attuali limiti sulla sezione d'urto, σ, delle WIMPs di due ordini di grandezza. Con tali prestazioni, e considerando 1 tonnellata di LXe come massa fiduciale, XENON1T sarà in grado di superare gli attuali limiti (esperimento LUX, 2013) dopo soli 5 giorni di acquisizione dati.

Preparazione di un setup sperimentale e misure preliminari per la caratterizzazione in aria di SiPM da utilizzare per esperimenti di ricerca della materia oscura

Da numerose osservazioni astronomiche e cosmologiche si ipotizza che la Materia Oscura rappresenti gran parte della massa dell’Universo. La Materia Oscura ha la particolarita` di interagire solo gravitazionalmente o debolmente e si presenta come massiva e neutra. Tra i vari candidati al ruolo di particelle di Materia Oscura troviamo le WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Un’esperimento che si propone di rivelare in modo diretto le WIMP, mediante la loro diffusione elastica su nuclei di Xeno, `e il progetto XENON presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Le tecniche di rivelazione diretta prevedono l’utilizzo di rivelatori grandi, in questo caso a gas nobile, ultra puri e situati in ambienti a bassa radioattivita` per diminuire il rumore di fondo come ad esempio i neutroni indotti dai muoni provenienti dai raggi cosmici (laboratori sotterranei). A causa della sezione d’urto molto piccola necessario raggiungere basse energie di soglia. A tal proposito sono in fase di ricerca e sviluppo soluzioni che permettano di migliorare le prestazioni del rivelatore; ad esempio sono in fase di studio soluzioni tecnologiche che migliorino la raccolta di luce. Una di queste prevede l’utilizzo di foto rivelatori tipo SiPM da affiancare a normali PMT. Tali rivelatori devono essere in grado di funzionare a basse temperature (circa −100◦ C) e devono poter rivelare fotoni di lunghezza d’onda di 178 nm. Il mio lavoro di tesi si colloca nell’ambito di tale progetto di ricerca e sviluppo. Lo scopo di questo lavoro `e stato infatti la preparazione di un setup sperimentale per caratterizzare in aria fotorivelatori SiPM Hamamatsu (prototipo codice S12574) in grado di lavorare in Xeno liquido. Oltre all’installazione del setup mi sono occupato di scrivere un programma in C++ in grado di analizzare le forme d’onda acquisite in run preliminari e di misurare guadagno e dark count rate del rivelatore.

Elaborazione di un programma di acquisizioni dati e studio di fotomoltiplicatori al silicio per l'esperimento XENON

Le numerose osservazioni compiute a partire dagli anni `30 confermano che circa il 26% dell'Universo è costituito da materia oscura. Tale materia ha la particolarità di interagire solo gravitazionalmente e debolmente: essa si presenta massiva e neutra. Tra le numerose ipotesi avanzate riguardanti la natura della materia oscura una delle più accreditate è quella delle WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Il progetto all'avanguardia nella ricerca diretta delle WIMP è XENON presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS). Tale esperimento è basato sulla diffusione elastica delle particelle ricercate su nuclei di Xeno: il rivelatore utilizzato è una TPC a doppia fase (liquido-gas). La rivelazione diretta di materia oscura prevede l'impiego di un rivelatore molto grande a causa della piccola probabilità di interazione e di ambienti a bassa radioattività naturale, per ridurre al minimo il rumore di fondo. Nell'ottica di migliorare la sensibilità del rivelatore diminuendo l'energia di soglia sono in fase di ricerca e sviluppo soluzioni alternative a quelle adottate attualmente. Una di tali soluzioni prevede l'utilizzo di fotorivelatori di tipo SiPM da affiancare ai normali PMT in uso. I fotorivelatori al silicio devono lavorare ad una temperatura di (circa 170 K) e devono rivelare fotoni di lunghezza d'onda di circa 175 nm. Il presente lavoro di tesi si colloca nell'ambito di tale progetto di ricerca e sviluppo. Lo scopo di tale lavoro è stato la scrittura di un programma DAQ in ambiente LabVIEW per acquisire dati per caratterizzare in aria fotorivelatori di tipo SiPM. In seguito con tale programma sono state effettuate misure preliminari di pedestallo da cui è stato possibile determinare l'andamento di guadagno e di dark rate al variare della tensione di alimentazione del SiPM. L'analisi dati è stata effettuata impiegando un programma scritto in C++ in grado di analizzare le forme d'onda acquisite dal programma LabVIEW.

Misure preliminari a temperature variabili su SiPM per future applicazioni nell'esperimento XENON

Negli ultimi decenni la materia oscura è stata oggetto di crescente interesse scientifico: dati sperimentali indicano che essa costituisce il 26.8% della massa totale dell'Universo ma le sue origini e natura rimangono ancora ignote. Essa interagisce solo gravitazionalmente in quanto priva di carica, caratteristica che ne rende molto difficile la rivelazione. Numerosi esperimenti in tutto il mondo sono alla ricerca di maggiori informazioni riguardo la natura della materia oscura tramite metodi di rivelazione indiretta e diretta; questi ultimi sono accumunati da rivelatori molto massivi per sopperire alla piccola sezione d'urto di interazione e situati in ambienti molto isolati per diminuire il rumore di fondo dovuto alla radioattività terrestre. Tra le varie ipotesi avanzate riguardo la natura della materia oscura spiccano le WIMP, Weakly Interacting Massive Particle. L'esperimento XENON, situato ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, si occupa della rivelazione diretta di WIMP studiandone l'urto elastico con i nuclei di Xeno, presente allo stato liquido e gassoso all'interno della TPC, il rivelatore fulcro dell'esperimento. I primi risultati dell'ultima fase del progetto sono attesi per l'inizio del 2016; grazie alla massa fiduciale di circa una tonnellata di Xeno, da cui il nome XENON1T, e a migliorie atte a diminuire il rumore di fondo, quali la scelta accurata di materiali a bassa radioattività e a un sistema di veto dei muoni, si ipotizza che il rivelatore raggiungerà una sensibilità due ordini di grandezza superiore a quelle finora raggiunte. Sono in fase di ricerca soluzioni per incrementare la raccolta di luce del rivelatore, nell'ottica di diminuire l'energia di soglia di rivelazione migliorandone la sensibilità. Una delle possibili soluzioni consiste nell'affiancare i PMT già in uso con fotomoltiplicatori al Silicio SiPM. Essi dovranno essere in grado di lavorare a una temperatura di sim ~170 K ed avere una buona efficienza di rivelazione per fotoni di lunghezza d'onda di ~178 nm. Questo lavoro di tesi si colloca nell'ambito di tale progetto di ricerca e sviluppo. Lo scopo del lavoro di tesi presentato è stato la misura della variazione di guadagno e conteggi di buio dei SiPM a disposizione in funzione della temperatura

Evoluzione delle user interface: dalla metafora del desktop al Wearable Computing

Negli ultimi decenni abbiamo assistito ad una graduale evoluzione delle interfacce utente e della tecnologia. Sono stati introdotti nuovi dispositivi mobile e wearable che negli ultimi anni hanno subito un incremento tecnologico esponenziale arrivando a fondersi con la vita di tutti i giorni. Le classiche interfacce grafiche WIMP, la metafora del desktop e le linee guida di progettazione fino ad ora sviluppate non risultano ideali per la nuova tecnologia di wearable computing. Il proposito che la tesi vuole andare ad affrontare è proprio quello di indagare lo sviluppo di nuove user inteface basate sulla tecnologia wearable ed in particolare per smart glasses.

The neutron background of the XENON100 dark matter experiment

TheXENON100 experiment, installed underground at the LaboratoriNazionali del Gran Sasso, aims to directly detect dark matter in the form of weakly interacting massive particles (WIMPs) via their elastic scattering off xenon nuclei. This paper presents a study on the nuclear recoil background of the experiment, taking into account neutron backgrounds from (alpha, n) reactions and spontaneous fission due to natural radioactivity in the detector and shield materials, as well as muon-induced neutrons. Based on MonteCarlo simulations and using measured radioactive contaminations of all detector components, we predict the nuclear recoil backgrounds for the WIMP search results published by theXENON100 experiment in 2011 and 2012, 0.11(-0.04)(+0.08) events and 0.17(-0.07)(+0.12) events, respectively, and conclude that they do not limit the sensitivity of the experiment.

Conceptual design and simulation of a water Cherenkov muon veto for the XENON1T experiment

XENON is a dark matter direct detection project, consisting of a time projection chamber (TPC) filled with liquid xenon as detection medium. The construction of the next generation detector, XENON1T, is presently taking place at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italy. It aims at a sensitivity to spin-independent cross sections of 2 10-47 c 2 for WIMP masses around 50 GeV2, which requires a background reduction by two orders of magnitude compared to XENON100, the current generation detector. An active system that is able to tag muons and muon-induced backgrounds is critical for this goal. A water Cherenkov detector of ~ 10 m height and diameter has been therefore developed, equipped with 8 inch photomultipliers and cladded by a reflective foil. We present the design and optimization study for this detector, which has been carried out with a series of Monte Carlo simulations. The muon veto will reach very high detection efficiencies for muons (>99.5%) and showers of secondary particles from muon interactions in the rock (>70%). Similar efficiencies will be obtained for XENONnT, the upgrade of XENON1T, which will later improve the WIMP sensitivity by another order of magnitude. With the Cherenkov water shield studied here, the background from muon-induced neutrons in XENON1T is negligible.