Analysis of the first underground run and background studies of the Argon Dark Matter

• Autores: Barbara Rosario Montes Nuñez
• Directores de la Tesis: Roberto Santorelli (dir. tes.), Luciano Romero Barajas (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2016
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 284
• Títulos paralelos:
  • Análisis de la primera toma de datos subterránea y estudios de fondo del experimento Argon Dark Matter
• Tribunal Calificador de la Tesis: Fernando Arqueros Martínez (presid.), Juan Abel Barrio Uña (secret.), Aldo Ianni (voc.), Christian Regenfus (voc.), Cristina Fernández Bedoya (voc.)
• Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Física
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Materias:
  • Física
    • Nucleónica
      • Detectores de partículas
      • Física de partículas
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen
  • español

    La Materia Oscura es un tipo de materia no luminosa cuya existencia es inferida a través de sus efectos gravitacionales a diferentes escalas en el Universo. De acuerdo con el análisis de los datos más recientes de PLANCK, la Materia Oscura da cuenta aproximadamente de un 27 por ciento de la composición del Universo, mientras que la materia ordinaria sólo representa un 5 por ciento. Por este motivo, revelar la naturaleza de la Materia Oscura se ha convertido en uno de los problemas más desafiantes de la física moderna. Una posible explicación proviene de la física de partículas en la forma de Partículas Masivas Débilmente Interactuantes (WIMPs). Supersimetría, una extensión del Modelo Estándar de partículas, proporciona candidatos a WIMPs en forma de la Partícula Supersimétrica Más Ligera (LSP), que es neutra, estable y masiva.

    Un gran esfuerzo experimental se ha realizado en los últimos años para detectar Materia Oscura con detectores subterráneos o espaciales o para producirla en aceleradores. Esta Tesis está centrada en el análisis de la primera toma de datos subterránea y estudios de fondo del experimento Argon Dark Matter (ArDM), cuyo objetivo es detectar WIMPs a través de los retrocesos nucleares producidos por su dispersión elástica por núcleos de argón. La colaboración ArDM está formada por dos grupos de investigación, uno perteneciente al ETH de Zurich y el otro procedente del CIEMAT, con el apoyo del CERN y del Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC), situado bajo los Pirineos en España. El detector ArDM, actualmente instalado en el LSC, es una Cámara de Proyección Temporal (TPC) de doble fase (líquido-gas) de una tonelada y es el primer detector de Materia Oscura basado en argón de la escala de la tonelada en tomar datos en un laboratorio subterráneo.

    El análisis de la primera toma de datos subterránea en fase pura (gaseosa y líquida) que se expone en esta Tesis incluye: evaluación de la luz producida en el detector mediante calibración con Co-57 y Kr-83, detección de contaminación radioactiva en argón natural y estudio del fondo producido por los materiales del detector debido a la presencia de isótopos radioactivos procedentes de las cadenas de desintegración del U-238 y Th-232. Asimismo, se ha desarrollado un sistema para medida del fondo de neutrones externo, procedente de las rocas y materiales del laboratorio. Por otra parte, se ha estudiado la dinámica de cargas positivas en argón líquido, excluyendo la posibilidad de que los iones tengan un impacto significativo en la operación subterránea de un detector de Materia Oscura, aunque se ha probado que el efecto sería importante para futuros detectores gigantes de neutrinos.

    Uno de los resultados más relevantes de la Tesis está relacionado con la discriminación de los retrocesos electrónicos producidos por la contaminación de Ar-39. Se ha estudiado la distribución de sucesos en las bandas de retroceso nuclear y retroceso electrónico, evaluando por primera vez, a la escala de la tonelada, el poder de discriminación de fondo a través del análisis de la forma de pulso de la luz de centelleo. El resultado no sólo es relevante para ArDM, sino también para otros experimentos de gases nobles que trabajen en el campo de la Materia Oscura. Además, considerando los resultados referidos al fondo de neutrones y fondo gamma, se ha desarrollado un estudio teórico para predecir la sensibilidad esperada para ArDM. Los resultados muestran la posibilidad de que ArDM pueda establecer uno de los límites de Materia Oscura más competitivos del mundo para un detector basado en argón tras unas pocas semanas de toma de datos.

    Esta Tesis ha sido financiada por el Ministerio de Economía y Competitividad a través de la ayuda FPA2012-30811. Varios artículos que incluyen los resultados más relevantes del análisis presentado en la Tesis están en preparación. Además, resultados relacionados con la reconstrucción de la posición han sido publicados en HAIS (LNAI 9648) 2016.

  • English

    Dark Matter is a collisionless and non-luminous kind of matter, whose existence is inferred through its gravitational e ects at the galactic, cluster and large scales in the Universe. From the analysis of the PLANCK latest data, Dark Matter accounts for the 26.6% of the composition of the energy density of the Universe, while ordinary matter only represents 4.9% [1]. Revealing the nature of Dark Matter has become one of the most challenging problems in modern physics. A possible explanation comes from particle physics in the form of Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs), a particularly interesting class of new particle that can naturally account for the measured abundance of Dark Matter. WIMPs would be produced thermally in the early Universe and, since they interact only weakly, their annihilation rate would become insigni cant as the Universe expands, thus freezing out with a relic abundance. Supersymmetry, an extension of the Standard Model of particle physics, foresees interesting possible WIMP candidates in the form of the Lightest Supersymmetric Particle (LSP), which is neutral, stable and massive. A great experimental e ort has been undertaken in the last years to detect Dark Matter in underground and space-based detectors or produce it in accelerators. This Thesis is focused on the analysis of the rst underground run and background studies of the Argon Dark Matter (ArDM) experiment, which aims to detect WIMPs via the nuclear recoils produced by their elastic scattering o argon nuclei. The detector is a ton-scale double-phase (liquid-gas) TPC, which is currently installed at the Canfranc Underground Laboratory (LSC) under the Pyrenees in Spain and it is the rst ton-scale argon detector for Dark Matter to take data underground.