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DAMIC

par romain gaior - 13 mars

La majeure partie de la matière qui compose notre Univers est d’origine non baryonique (contrairement à la matière dont nous sommes faits) et reste encore inconnue à ce jour. Nos connaissances sont limitées aux effets gravitationnels de cette matière mais elle est supposée faite de particules interagissant faiblement avec la matière ordinaire. Comme elle ne brille pas, au contraire des étoiles, et qu’elle est invisible dans nos télescopes, elle est appelée matière noire. Depuis plusieurs décennies, des chercheurs imaginent et construisent des expériences toujours plus sensibles pour détecter l’interaction de ces particules avec la matière ordinaire.

DAMIC pour Dark Matter In CCD est une expérience qui utilise des CCD (Charge Coupled Device) de silicium (SI) épais et ultra bas bruit à la fois comme cible et comme détecteur. L’interaction d’une particule (y compris de matière noire si elle interagit) dans le silicium du CCD produits des charges qui sont collectées par des pixels gravés à sa surface. La lecture de ces pixels révèlent dans une image l’ensemble des dépôts d’énergie qui ont eu lieu pendant l’exposition et donc l’éventuel passage de particules.

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Installation d’un CCD DAMIC dans sa boite en cuivre à SNOLAB

Les avantages de cette technique sont multiples. D’abord, le bas bruit électronique et la faible largeur de la bande interdite du Si permettent d’atteindre un seuil en énergie très bas (de l’ordre de l’eV). Ensuite, la pixelisation fine du CCD permet une identification des types de particule et donc le rejet de bruits de fonds radioactifs aux signatures caractéristiques. En outre le détecteur est refroidi à environ -140 degrés pour minimiser les bruits thermiques et est situé sous des kilomètres de roche et un épais blindage pour le protéger des rayonnements cosmiques et des rayonnements ionisants environnants.

Les premiers développements de DAMIC instrumentaient 2 puis 7 CCDs et étaient installés dans le laboratoire souterrain de Snolab au Canada. Ces premières versions ont montré l’efficacité de cette technique et les données extraites ont permis d’exclure certains modèles de matière noire : une partie de l’espace des paramètres des WIMPs à basse masse - un des candidats favoris - a été exclue [1] et DAMIC a atteint les meilleures limites sur des photons cachés de 3 à 12 eV [2], un autre candidat potentiel pour expliquer la matière noire.

Le futur de DAMIC s’appelle DAMIC-M (M comme Modane), en effet l’expérience fait peau neuve et déménage dans le laboratoire souterrain de Modane dans le tunnel du Fréjus entre la France et l’Italie. Grâce aux soutiens des agences de financement européennes et américaines, l’expérience DAMIC-M est en développement et vise des performances accrues grâce à plusieurs améliorations. D’abord l’augmentation d’un facteur 20 de la masse de CCD pour atteindre environ 1kg de masse instrumentée augmentera d’autant l’exposition et la probabilité d’interaction des particules de matière noire avec le détecteur. Ensuite grâce au suivi de toutes les étapes de la production et de l’acheminement des CCDs et au choix minutieux des matériaux, les contaminations radioactives devraient être réduites d’un facteur 50, à des niveaux jamais atteint pour ce type d’expérience. Enfin les CCD de DAMIC-M seront équipés d’un système de lecture nouveau, le système Skipper, fondé sur la lecture non destructive et répétée des pixels. La réduction du bruit électronique ainsi obtenue permettra de mesurer la charge électronique de chaque pixel avec une précision bien inférieure à un électron. Toutes ces avancées nécessitent la résolution de défis aussi bien en électronique qu’en mécanique pour parvenir à l’installation et la prise de données réussie de DAMIC-M estimée pour 2022.

Ces travaux sont menés au sein d’une collaboration internationale qui comprend des équipes nord américaines (U. de Chicago, U. Washington, Pacific Northwest National Lab. et Snolab), sud américaines (U. Rio de Janeiro, Centro Atomico Bariloche) et européennes (U. Zurich, U. of Cantabria, U of Southern Denmark, Niel Bohr Institute) et en particulier françaises (LPNHE Paris, Subatech Nantes, CENBG Bordeaux, LAL et IPN Orsay et le LSM Modane).

L’équipe DAMIC du LPNHE est impliquée dans des travaux d’analyse et de simulation du détecteur indispensable pour comprendre les bruits de fond radioactifs. Elle est aussi en charge de fournir une électronique de lecture bas bruit intégrée des CCD. L’équipe se compose de 3 chercheurs permanents, 3 doctorants en physique 1 en électronique. Plusieurs ingénieurs en électronique et mécanique ont également des implications importantes sur ce projet.

Site web de DAMIC-M : http://damicm.cnrs.fr/

Personnes à contacter au LPNHE :

Antoine Letessier Selvon : antoine.letessier-selvon in2p3.fr

Paolo Privitera : priviter lpnhe.in2p3.fr

Romain Gaïor : romain.gaior lpnhe.in2p3.fr

[1]Search for low-mass WIMPs in a 0.6 kg day exposure of the DAMIC experiment at SNOLAB

[2]First Direct-Detection Constraints on eV-Scale Hidden-Photon Dark Matter with DAMIC at SNOLAB

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Principe de détection d’une WIMP avec DAMIC
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