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.

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.

Advanced instrumentation for superheated liquid detectors in dark matter searches

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Física

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.

Fabrication et caractérisation de détecteurs à gouttelettes en surchauffe à bas bruit de fond au sein du projet PICASSO

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

Études Monte Carlo des mesures d'étalonnage aux neutrons et aux particules alpha du détecteur PICASSO

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

Discrimination d'événements par analyse des signaux enregistrés par le projet PICASSO

La matière sombre est un mystère dans le domaine de l’astrophysique depuis déjà plusieurs années. De nombreuses observations montrent que jusqu’à 85 % de la masse gravitationnelle totale de l’univers serait composée de cette matière de nature inconnue. Une théorie expliquant cette masse manquante considérerait les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), particules stables, non chargées, prédites par des extensions du modèle standard, comme candidats. Le projet PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques à la matière Sombre) est une expérience qui tente de détecter directement le WIMP. Le projet utilise des détecteurs à gouttelettes de fréon (C4F10) surchauffées. La collision entre un WIMP et le noyau de fluor crée un recul nucléaire qui cause à son tour une transition de phase de la gouttelette liquide à une bulle gazeuse. Le bruit de ce phénomène est alors capté par des senseurs piézoélectriques montés sur les parois des détecteurs. Le WIMP n’est cependant pas la seule particule pouvant causer une telle transition de phase. D’autres particules environnantes peuvent former des bulles, telles les particules alpha où même des rayons gamma . Le système d’acquisition de données (DAQ) est aussi en proie à du bruit électronique qui peut être enregistré, ainsi que sensible à du bruit acoustique extérieur au détecteur. Finalement, des fractures dans le polymère qui tient les gouttelettes en place peut également causer des transitions de phase spontanées. Il faut donc minimiser l’impact de tous ces différents bruit de fond. La pureté du matériel utilisé dans la fabrication des détecteurs devient alors très importante. On fait aussi appel à des méthodes qui impliquent l’utilisation de variables de discrimination développées dans le but d’améliorer les limites d’exclusion de détection du WIMP.

Flow cell within an LED: a proposal for an optical absorption detector

Droplets formed at the tip of a tube under the same conditions possess extreme uniformity of form, volume and weight. These properties of liquid drop formation have been known for a long time and consequently many applications for the drop have been found in instrumentation and chemical analysis methods. In the present paper, we report on the analytical use of a dynamic LED-based flow-through optical absorption detector with optical path length controlled by continuous dropping of a solution. This arrangement consists of a flow cell built within a high-intensity red LED (lambda (max)=630 nm). The feasibility of the detector is demonstrated by colorimetric determination of methylene blue, and ammonium by Berthelot's reaction, in a flow-injection system. For ammonium, the reaction forms a blue dye (indophenol) with a maximum absorption at 630-650 nm. The detection limit, considered as 3 times the signal of the blank, is better than 125 mu g l(-1). The small flow cell represents a good combination of optical path length, low volume and fast washout. This detector can be used advantageously in automated methods and can represent a solution to problems of optical detection involving gas bubbles and precipitation of particles in turbidimetric applications.

Determinação rápida de fármacos básicos em plasma por cromatografia a gás com detector de nitrogênio e fósforo

A simple and fast method for determination of 40 basic drugs in human plasma employing gas-chromatography with nitrogen-phosphorus detection was developed and validated. Drugs were extracted from 800 µL of plasma with 250 µL of butyl acetate at basic pH. Aliquots of the organic extract were directly injected on a column with methylsilicone stationary phase. Total chromatographic run time was 25 min. All compounds were detected in concentrations ranging from therapeutic to toxic levels, with intermediate precision CV% below 11.2 and accuracy in the range of 92-114%.

Determination of paracetamol at a graphite-polyurethane composite electrode as an amperometric flow detector

A bare graphite-polyurethane composite was evaluated as an amperometric flow injection detector in the determination of paracetamol (APAP) in pharmaceutical formulations. A linear analytical curve was observed in the 5.00 x 10-5 to 5.00 x 10-3 mol L-1 range with a minimum detectable net concentration of 18.9 µmol L-1 and 180 determinations h-1, after optimization of parameters such as the detection potential, sample loop volume, and carrier solution flow rate. Interference of ascorbic acid was observed, however, it was possible overcome the interference, reaching results that agreed with HPLC within 95% confidence level. These results showed that the graphite-polyurethane composite can be used as an amperometric detector for flow analysis in the determination of APAP.

Measurement of the underground atmospheric muon charge ratio using the MINOS Near Detector

The magnetized MINOS Near Detector, at a depth of 225 mwe, is used to measure the atmospheric muon charge ratio. The ratio of observed positive to negative atmospheric muon rates, using 301 days of data, is measured to be 1.266 +/- 0.001(stat)(-0.014)(+0.015)(syst). This measurement is consistent with previous results from other shallow underground detectors and is 0.108 +/- 0.019(stat + syst) lower than the measurement at the functionally identical MINOS Far Detector at a depth of 2070 mwe. This increase in charge ratio as a function of depth is consistent with an increase in the fraction of muons arising from kaon decay for increasing muon surface energies.

Search for Lorentz Invariance and CPT Violation with the MINOS Far Detector

We searched for a sidereal modulation in the MINOS far detector neutrino rate. Such a signal would be a consequence of Lorentz and CPT violation as described by the standard-model extension framework. It also would be the first detection of a perturbative effect to conventional neutrino mass oscillations. We found no evidence for this sidereal signature, and the upper limits placed on the magnitudes of the Lorentz and CPT violating coefficients describing the theory are an improvement by factors of 20-510 over the current best limits found by using the MINOS near detector.

Neutrino and antineutrino inclusive charged-current cross section measurements with the MINOS near detector

The energy dependence of the neutrino-iron and antineutrino-iron inclusive charged-current cross sections and their ratio have been measured using a high-statistics sample with the MINOS near detector exposed to the NuMI beam from the main injector at Fermilab. Neutrino and antineutrino fluxes were determined using a low hadronic energy subsample of charged-current events. We report measurements of nu-Fe ((nu) over bar - Fe) cross section in the energy range 3-50 GeV (5-50 GeV) with precision of 2%-8% (3%-9%) and their ratio which is measured with precision 2%-8%. The data set spans the region from low energy, where accurate measurements are sparse, up to the high-energy scaling region where the cross section is well understood.

Observation of muon intensity variations by season with the MINOS far detector

The temperature of the upper atmosphere affects the height of primary cosmic ray interactions and the production of high-energy cosmic ray muons which can be detected deep underground. The MINOS far detector at Soudan, MN, has collected over 67 X 10(6) cosmic ray induced muons. The underground muon rate measured over a period of five years exhibits a 4% peak-to-peak seasonal variation which is highly correlated with the temperature in the upper atmosphere. The coefficient, alpha(T), relating changes in the muon rate to changes in atmospheric temperature was found to be alpha(T) 0: 873 +/- 0: 009(stat) +/- 0.010(syst). Pions and kaons in the primary hadronic interactions of cosmic rays in the atmosphere contribute differently to alpha(T) due to the different masses and lifetimes. This allows the measured value of alpha(T) to be interpreted as a measurement of the K/pi ratio for E(p) greater than or similar to 7 TeV of 0.12(-0.05)(+0.07), consistent with the expectation from collider experiments.

Testing Lorentz Invariance and CPT Conservation with NuMI Neutrinos in the MINOS Near Detector

A search for a sidereal modulation in the MINOS near detector neutrino data was performed. If present, this signature could be a consequence of Lorentz and CPT violation as predicted by the effective field theory called the standard-model extension. No evidence for a sidereal signal in the data set was found, implying that there is no significant change in neutrino propagation that depends on the direction of the neutrino beam in a sun-centered inertial frame. Upper limits on the magnitudes of the Lorentz and CPT violating terms in the standard-model extension lie between 10(-4) and 10(-2) of the maximum expected, assuming a suppression of these signatures by a factor of 10(-17).