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Accueil > Recherche > Astro-particules > Matière noire/EDELWEISS

Activités

Les activités du groupe MANOIR

Introduction

On sait aujourd’hui que la quantité de matière baryonique visible dans l’Univers ne suffit pas à expliquer certaines observations gravitationnelles. L’expérience EDELWEISS, installée au Laboratoire Souterrain de Modane, tente de mettre en évidence l’existence de cette matière noire invisible par détection directe de particules massives interagissant faiblement, les WIMPs, qui pourraient être de nature supersymétrique. La détection directe consiste à observer les reculs nucléaires dus aux chocs des WIMPs du halo galactique sur une cible en laboratoire. Pour des masses de WIMPs de l’ordre de la centaine de GeV, l’énergie de ces reculs est de l’ordre de 20 keV. Dans le cadre des modèles supersymétriques de type CMSSM, les taux d’événements prévus sont de l’ordre de un par mois et par kilo de matière à un par an et par tonne. La principale difficulté est le bruit de fond dû à la radioactivité naturelle, qui est au départ plus de dix ordres de grandeur plus élevé. Des conditions exceptionnelles de très basse radioactivité sont donc essentielles à ces recherches. Cependant les avancées dans ce domaine sont souvent liées aux développements de techniques permettant l’identification événement par événement du type d’interaction et de particule incidente.
Les détecteurs utilisés par EDELWEISS sont des cristaux de germanium refroidis à une température inférieure à 20 mK. Pour chaque interaction dans ces détecteurs de 320 g, on extrait simultanément deux signaux : l’un est associé au nombre de paires électron-trou générées et l’autre est l’élévation de température correspondant à l’énergie déposée dans le cristal, mesurée avec un senseur thermique de type NTD. La comparaison de ces deux signaux permet de rejeter les interactions causées par la radioactivité gamma, et de ne garder que les évènements moins ionisants, associés à des reculs de noyaux de germanium. Ce rejet s’avère néanmoins insuffisant dans le cas des interactions ayant lieu proche des surfaces du détecteur, pour lesquelles la collecte de charge est déficiente.
En 2007-2008, la collaboration a conçu, réalisé et testé un nouveau type de détecteur avec électrodes alternées, qui permet l’identification des interactions produites proches des surfaces.

Installation et démarrage de l’expérience EDELWEISS-II

EDELWEISS-II consiste à la mise en œuvre d’un grand nombre de détecteurs ionisation-chaleur, dans un nouveau cryostat pouvant en accueillir plus de 100, et dans un environnement bas-bruit approprié pour cette amélioration de la sensibilité.

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Cryostat de l’expérience EDELWEISS-II

En plus du nouveau cryostat construit expressément par le CRTBT, les principales améliorations du dispositif expérimental sont :

  • Un contrôle plus systématique des matériaux servant à la construction des détecteurs et leur environnement, grâce entre autres au banc de mesure gamma bas-bruit GENTIANE au LSM.
  • Un blindage de plomb et de polyéthylène offrant une couverture plus complète, avec l’augmentation de l’épaisseur de polyéthylène de 20 à 50 cm.
  • Un veto actif muon couvrant la totalité de l’expérience
  • L’installation de l’expérience dans une salle blanche, avec accès à de l’air déradonisé.
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Schéma du setup de l’expérience EDELWEISS-II
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Intérieur du cryostat avec les détecteurs

L’année 2005 a vu l’installation de la deuxième phase de l’expérience, mettant en œuvre une masse de plus de 7 kg de détecteurs cryogéniques en germanium. Le groupe de l’IPNL a joué un rôle majeur dans cette installation (coordination technique sous la responsabilité de D. Drain, support du service de Mécanique) et dans l’exploitation des premiers résultats obtenus lors des étapes de validation. Cette phase a été complétée en septembre 2007 avec le démarrage des prises de données de physique.
Le service Instrumentation de l’IPNL a également réalisé une partie de l’électronique de lecture (amplification de la voie chaleur), avec la responsabilité de l’intégration des 50 boîtiers électroniques à bas-bruit radioactif, qui numérisent les signaux dès la sortie du cryostat et permet le contrôle des détecteurs. Il a également pris en charge le refroidissement de cette électronique. Le service participe également à la bonne opération et à la maintenance du cryostat à dilution.
En 2008, l’IPNL a repris la responsabilité technique de l’expérience avec la venue à l’IPNL d’A. Juillard (IR).

Premiers résultats de l’expérience EDELWEISS-II

  • Avec les détecteurs standarts Ge-NTD

L’IPNL est responsable de la seule thèse EDELWEISS dédiée aux premiers résultats de physique avec les détecteurs GeNTD (Silvia Scorza).
Les résultats de cette analyse, basée sur 93.5 kg.jour de données enregistrées avec douze détecteurs de 320 g entre novembre 2007 et mars 2008, donnent une limite supérieure de 5x10-7 pb aux interactions WIMP-nucléon indépendantes du spin (pour une masse de WIMP de 100 GeV). Cette limite est 2.5 fois meilleure que celle obtenue par EDELWEISS-I.

L’étude montre que cette amélioration vient essentiellement de la réduction de la radioactivité dans l’environnement proche des détecteurs. Des données enregistrées avec une source de 210Pb émettant des bêtas et des particules alpha, confirme que le fond radioactif limitant les performances de l’expérience peut s’expliquer par le mauvais rejet des interactions de surface.

  • Avec les détecteurs interdigités

Afin de régler le problème du rejet des évènements proches
de la surface des détecteurs, la collaboration EDELWEISS a
développé un nouveau type de détecteurs, nommés InterDigit (ID).

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Détecteur InterDigit de 400g
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Détecteur Full InterDigit de 400g

La différence avec les détecteurs précédents est que les
électrodes collectant les charges sur les surfaces planes
des détecteurs ne sont plus continues, mais sont composées
d’anneaux d’aluminium de 200 micron séparés de 2 mm.
Les tensions de surface des différents anneaux sont
choisies de façon à ce que la charge produite par les
évènements proches d’une surface ne soit collectées que
sur les électrodes du côté correspondant, tandis que celle
associée aux évènements produits à une profondeur de plus de
1 mm donne des signaux équivalents de chaque coté du
détecteur.
En 2008, la collaboration EDELWEISS a effectué des tests
de trois détecteurs ID dans son site bas-bruit au LSM.
Un des détecteurs était équipé d’une source radioactive de 210Pb,
émettant des rayons beta et alpha produisant des interactions
en surface.
Les résultats publiés en 2009 (arxiv:0905.0753) démontrent que le taux de rejet
obtenu est de l’ordre de 30 000.
Cette performance inégalée pour les bêtas n’entame en rien
l’excellent rejet gamma (de l’ordre de 100 000) obtenue avec la génération précédente des détecteurs.
Ceci règle le problème de rejet de surface pour l’expérience
EDELWEISS-II, et ouvre ainsi la voie à des expériences
plus ambitieuses pour étudier les modèles de WIMP avec
des sections efficaces aussi faibles que 5x10-9 pb
(EDELWEISS-III, EURECA).

  • Recherche de WIMP avec les détecteurs ID

La collaboration EDELWEISS a démarré en mars 2009 une
recherche de WIMP au LSM avec une série de 10 détecteurs ID
d’une masse de 400g chacun.
La campagne de prise de données devrait se terminer en avril 2010.
Des résultats des six premiers mois de cette campagne ont été
soumis pour publication (arxiv:0912.0805) . Ils font état d’une excellente
fiabilité et d’une robustesse remarquable pour ce type
de détecteurs très sensible : seul un des dix détecteurs
n’a pas pu être utilisé pour la recherche de WIMP.
En six mois, une exposition de plus de 125 kg a pu être
obtenue, portant à 144 kgj l’exposition totale obtenue par
ce type de détecteur après l’addition des données des
deux premiers détecteurs en 2008.

Pour la première fois,
et en un très court temps, EDELWEISS atteint une sensibilité
de 10-7pb, s’approchant ainsi à un facteur 2.5 de la sensibilité
obtenue par l’expérience américaine CDMS après plusieurs
années d’opération. EDELWEISS dépasse ainsi les expériences utilisant
des détecteurs massifs en Xenon pour ce qui est de la sensibilité
aux WIMPs de masses supérieures à 150 GeV/c2.
Ces performances augurent de très bons résultats pour la suite de la campagne de
prise de donnée.

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Limite d’exclusion sur la section efficace d’interaction du WIMP avec un nucléon en fonction de la masse du WIMP pour un niveau de confiance de 90% obtenue par EDELWEISS-II, comparée aux meilleures sensibilité actuelles

Activités annexes

  • Basse radioactivité

L’IPNL a la responsabilité des mesures de basses radioactivités des matériaux entrant dans le cryostat et son environnement, avec le détecteur HPGe bas-bruit Gentiane, au LSM. Il était également responsable de l’approvisionnement de l’expérience en sources radioactives (57Co, 133Ba, 60Co, AmBe), en s’assurant qu’elles soient conçues pour que leur utilisation ne laisse aucune contamination.

  • Electronique

La principale contrainte sur l’électronique de lecture est l’obligation de déporter le maximum d’éléments de l’électronique frontale le plus loin des détecteurs de façon à réduire la radioactivité proche. Les capacités parasites sur les voies de lecture sont donc importantes, et les performances de l’électroniques dépendent d’une parfaite intégration de tous les éléments de la chaîne.

Les fonctions de polarisation des détecteurs, de préamplification des signaux et de leur numérisation sont intégrées dans un boîtier appelé « Boîte Bolo ». Ils sont montés directement sur le cryostat (d’où contrainte de relatif bas bruit radioactif), à l’intérieur de l’enceinte de plomb (d’où contrainte d’espace) avec transmission des commandes et sorties des données par fibre optique. Les tous premiers prototype ont été conçus et réalisé à l’IPNL, à partir de plans fournis par nos partenaires du CRTBT. Pour la seconde génération de prototypes, plus compacts, la responsabilité de la partie numérique et des alimentations a été reprise par le CEA/DAPNIA tandis que l’IPNL a celle de la réalisation, de la mécanique, de la pré-amplification analogique et des tests finaux. Les tests réalisés à l’IPNL auprès du cryostat Orange ont permis de valider leur utilisation avant le premier run cryogénique avec détecteur auprès du cryostat EDELWEISS-II au LSM.

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Test d’un boîtier de numérisation EDELWEISS-II sur le cryostat Orange de l’IPNL.

La recherche et le développement à Lyon sur les détecteurs cryogéniques et leur électronique d’acquisition se poursuit, avec l’installation à Lyon d’un nouveau cryostat de conception novatrice, réalisé au CEA/DRECAM avec l’appui du service instrumentation de l’IPNL. But : étudier des méthodes plus efficaces de lecture (nouvelle génération dite BBV2, relais) + études avec partenaires Oxford sur nouveau câblage plus fiable.

  • Simulations

Le groupe est très impliqué dans la simulation Monte Carlo des données EDELWEISS. Les simulations des fonds neutrons se font en collaboration avec le CEA et avec, pour ce qui est du fond neutron dû aux gerbes hadroniques induites par les muons, avec Karlsruhe. Jusqu’en 2008, les simulations faites par Lyon étaient basées sur le code GEANT3, ce qui a permis de les comparer systématiquement avec celles réalisées avec GEANT4 et MCNPX. Depuis, Lyon a migré vers GEANT4, d’abord en implémentant la géométrie exacte de l’expérience et, depuis 2009, en comparant ces simulations avec les données de calibration gamma et neutron, ainsi qu’avec les spectres de données de fond.
Le groupe produit également les simulations Monte Carlo de spectres de WIMP basés sur les modèles de halo standard et sur les résolutions expérimentales et les seuils des détecteurs. Ce programme de simulation de spectres de détection directe développé à l’IPNL a été repris sur le site d’outils pour la matière noire du réseau européen ILIAS [7].
Des halos de forme non-standard ont été également simulés dans le cadre d’un stage M1 en 2007, dans le but de préparer des études de distribution de vitesses plus proches de celles découlant de modèles plus réalistes.

  • Etude de cristaux scintillants

Les détecteurs cryogéniques phonons-ionisation ont maintenant les meilleures sensibilités au niveau mondial. Toutefois, leur performance pourrait être limitée par des événements de surface mal-identifiés. D’autre part, l’étude des bruits de fond et la validation d’un signal éventuel profiteront d’un choix de noyaux cibles plus vaste que les semi-conducteurs, en particulier dans le cadre d’une expérience de plusieurs centaines de kilogrammes comme EURECA. Nous avons donc mis en place un projet de recherche et développement de scintillateurs cryogéniques pouvant fournir des détecteurs phonon-scintillation. Ce projet, regroupant l’IPN Lyon, des experts en scintillation du LPCML Lyon, et des experts en détecteurs cryogéniques de l’IAS Orsay et de l’Institut Max-Planck pour la Physique à Munich, a bénéficié de l’appui de l’ANR de 2005 à 2008 par le biais du projet blanc SciCryo coordonné par P. Di Stefano. Dans le cadre de la thèse de M. Luca (soutenue en juillet 2007), la spectroscopie du saphir dopé au titane a été étudiée jusqu’à 40 K. Un cryostat optique capable d’atteindre 2.8 K, avec une géométrie innovante, a été développé en collaboration avec l’Air Liquide/DTA ; il est mis en oeuvre dans le cadre de la thèse de M.-A. Verdier dont la soutenance est prévue à l’été 2010. Le projet se poursuit dans le cadre d’un financement CIBLE de la région Rhône-Alpes, avec comme partenaire Oxford. Des résultats sur le BGO et le BaF2 sont attendus dans le cadre de la thèse de M.-A. Verdier. Le projet se poursuit aussi avec des tests d’intégration de détecteurs phonons-scintillation fournis par l’IAS dans l’expérience EDELWEISS-II à Modane.