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.

An accelerating cosmology without dark energy

The negative pressure accompanying gravitationally-induced particle creation can lead to a cold dark matter (CDM) dominated, accelerating Universe (Lima et al. 1996 [1]) without requiring the presence of dark energy or a cosmological constant. In a recent study, Lima et al. 2008 [2] (LSS) demonstrated that particle creation driven cosmological models are capable of accounting for the SNIa observations [3] of the recent transition from a decelerating to an accelerating Universe, without the need for Dark Energy. Here we consider a class of such models where the particle creation rate is assumed to be of the form Gamma = beta H + gamma H(0), where H is the Hubble parameter and H(0) is its present value. The evolution of such models is tested at low redshift by the latest SNe Ia data provided by the Union compilation [4] and at high redshift using the value of z(eq), the redshift of the epoch of matter - radiation equality, inferred from the WMAP constraints on the early Integrated Sachs-Wolfe (ISW) effect [5]. Since the contributions of baryons and radiation were ignored in the work of LSS, we include them in our study of this class of models. The parameters of these more realistic models with continuous creation of CDM are constrained at widely-separated epochs (z(eq) approximate to 3000 and z approximate to 0) in the evolution of the Universe. The comparison of the parameter values, {beta, gamma}, determined at these different epochs reveals a tension between the values favored by the high redshift CMB constraint on z(eq) from the ISW and those which follow from the low redshift SNIa data, posing a potential challenge to this class of models. While for beta = 0 this conflict is only at less than or similar to 2 sigma, it worsens as beta increases from zero.

Note on ""Continuous matter creation and the acceleration of the universe: the growth of density fluctuations""

Recently, de Roany and Pacheco (Gen Relativ Gravit, doi:10.1007/s10714-010-1069-2) performed a Newtonian analysis on the evolution of perturbations for a class of relativistic cosmological models with Creation of Cold Dark Matter (CCDM) proposed by the present authors (Lima et al. in JCAP 1011:027, 2010). In this note we demonstrate that the basic equations adopted in their work do not recover the specific (unperturbed) CCDM model. Unlike to what happens in the original CCDM cosmology, their basic conclusions refer to a decelerating cosmological model in which there is no transition from a decelerating to an accelerating regime as required by SNe type Ia and complementary observations.

The imprint of the interaction between dark sectors in galaxy clusters

Based on perturbation theory, we study the dynamics of how dark matter and dark energy in the collapsing system approach dynamical equilibrium when they are in interaction. We find that the interaction between dark sectors cannot ensure the dark energy to fully cluster along with dark matter. When dark energy does not trace dark matter, we present a new treatment on studying the structure formation in the spherical collapsing system. Furthermore we examine the cluster number counts dependence on the interaction between dark sectors and analyze how dark energy inhomogeneities affect cluster abundances. It is shown that cluster number counts can provide specific signature of dark sectors interaction and dark energy inhomogeneities.

A PRELIMINARY ANALYSIS OF THE ENERGY TRANSFER BETWEEN THE DARK SECTORS OF THE UNIVERSE

We study the mutual interaction between the dark sectors (dark matter and dark energy) of the Universe by resorting to the extended thermodynamics of irreversible processes and constrain the former with supernova type Ia data. As a by-product, the present dark matter temperature results are not extremely small and can meet the independent estimate of the temperature of the gas of sterile neutrinos.

Stability of the curvature perturbation in dark sectors` mutual interacting models

We consider perturbations in a cosmological model with a small coupling between dark energy and dark matter. We prove that the stability of the curvature perturbation depends on the type of coupling between dark sectors. When the dark energy is of quintessence type, if the coupling is proportional to the dark matter energy density, it will drive the instability in the curvature perturbations: however if the coupling is proportional to the energy density of dark energy, there is room for the stability in the curvature perturbations. When the dark energy is of phantom type, the perturbations are always stable, no matter whether the coupling is proportional to the one or the other energy density. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Exotic dark spinor fields

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Reconstruction of interacting dark energy models from parametrizations

Models with interacting dark energy can alleviate the cosmic coincidence problem by allowing dark matter and dark energy to evolve in a similar fashion. At a fundamental level, these models are specified by choosing a functional form for the scalar potential and for the interaction term. However, in order to compare to observational data it is usually more convenient to use parametrizations of the dark energy equation of state and the evolution of the dark matter energy density. Once the relevant parameters are fitted, it is important to obtain the shape of the fundamental functions. In this paper I show how to reconstruct the scalar potential and the scalar interaction with dark matter from general parametrizations. I give a few examples and show that it is possible for the effective equation of state for the scalar field to cross the phantom barrier when interactions are allowed. I analyze the uncertainties in the reconstructed potential arising from foreseen errors in the estimation of fit parameters and point out that a Yukawa-like linear interaction results from a simple parametrization of the coupling.

Structure formation in the presence of dark energy perturbations

We study non-linear structure formation in the presence of dark energy. The influence of dark energy on the growth of large-scale cosmological structures is exerted both through its background effect on the expansion rate, and through its perturbations. In order to compute the rate of formation of massive objects we employ the spherical collapse formalism, which we generalize to include fluids with pressure. We show that the resulting non-linear evolution equations are identical to the ones obtained in the pseudo-Newtonian approach to cosmological perturbations, in the regime where an equation of state serves to describe both the background pressure relative to density, and the pressure perturbations relative to the density perturbations. We then consider a wide range of constant and time-dependent equations of state (including phantom models) parametrized in a standard way, and study their impact on the non-linear growth of structure. The main effect is the formation of dark energy structure associated with the dark matter halo: non-phantom equations of state induce the formation of a dark energy halo, damping the growth of structures; phantom models, on the other hand, generate dark energy voids, enhancing structure growth. Finally, we employ the Press-Schechter formalism to compute how dark energy affects the number of massive objects as a function of redshift (number counts).

Physical approximations for the nonlinear evolution of perturbations in inhomogeneous dark energy scenarios

The abundance and distribution of collapsed objects such as galaxy clusters will become an important tool to investigate the nature of dark energy and dark matter. Number counts of very massive objects are sensitive not only to the equation of state of dark energy, which parametrizes the smooth component of its pressure, but also to the sound speed of dark energy, which determines the amount of pressure in inhomogeneous and collapsed structures. Since the evolution of these structures must be followed well into the nonlinear regime, and a fully relativistic framework for this regime does not exist yet, we compare two approximate schemes: the widely used spherical collapse model and the pseudo-Newtonian approach. We show that both approximation schemes convey identical equations for the density contrast, when the pressure perturbation of dark energy is parametrized in terms of an effective sound speed. We also make a comparison of these approximate approaches to general relativity in the linearized regime, which lends some support to the approximations.

Signatures of primordial non-Gaussianities in the matter power-spectrum and bispectrum: the time-RG approach

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

ISW effect through dark energy quintessence and ΛCDM models

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)