Estudio de la radiopureza del argón subterráneo para DarkSide-20k e I+D+i en detectores basados en gases nobles para investigaciones de eventos raros

• Autores: Edgar Sánchez García
• Directores de la Tesis: Roberto Santorelli (dir. tes.), Luciano Romero Barajas (dir. tes.), Pablo García Abia (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2021
• Idioma: español
• Títulos paralelos:
  • Underground argon radio-purity studies for DarkSide-20k and R&D on noble gas detectors for rare-events investigations
• Tribunal Calificador de la Tesis: Fernando Arqueros Martínez (presid.), Juan Abel Barrio Uña (secret.), Giuliana Fiorillo (voc.), Carlos Peña Garay (voc.), Maria Luisa Sarsa Sarsa (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universidad Complutense de Madrid
• Materias:
  • Física
    • Nucleónica
      • Física de partículas
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen
  • español

    Hay evidencias significativas que sugieren que la materia ordinaria compuesta por bariones y leptones, representa solo el 5% del contenido de energía-materia del Universo. Para dar cuenta de toda la densidad de energía-materia y explicar las observaciones astrofísicas a escala cosmológica es necesario incluir dos nuevos componentes. La primera es un nuevo tipo de materia, no luminosa y que no sufre colisiones, llamada materia oscura, cuyas interacciones con la materia ordinaria son principalmente a través de la fuerza gravitatoria.

    La segunda es una componente uniformemente distribuida llamada energía oscura, que se le atribuye ser responsable de la expansión acelerada del Universo. Según los últimos datos del satélite PLANCK, la energía oscura representa el 69% del contenido de nuestro Universo y la materia oscura el 27%. La naturaleza de la materia oscura y la energía oscura es uno de los problemas más relevantes en la física actual.

    Aunque hay diferentes explicaciones posibles para el origen de la materia oscura, una hipótesis muy atractiva proviene de la física de las partículas en forma de reliquias térmicas producidas durante el Big Bang, que se desacoplan de forma natural, con la abundancia adecuada y están presentes actualmente en los halos que rodean a las galaxias. Se trata de las llamadas partículas masivas débilmente interactuantes (WIMPs), que no tienen carga electromagnética y sólo interactúan a través de la fuerza débil o gravitatoria.

    Durante los últimos años, diferentes experimentos han tratado de detectar esta hipotética partícula, estableciendo límites más bajos para la sección eficaz y rechazando varias hipótesis propuestas. Esta tesis se ha realizado dentro del experimento DarkSide-20K, una cámara de proyección temporal con un volumen de detección de 50 toneladas de argón líquido, cuyo objetivo es alcanzar los mejores límites de sensibilidad para las búsquedas independientes de spin en el rango de masas para los WIMPs de 10 GeV a 100 TeV durante la próxima década.

    Una de las claves para obtener estos desafiantes resultados es el uso de argón subterráneo (UAr), que presenta unos niveles del isótopo 39Ar (0.73 mBq/kg) mucho menores al argón atmosférico (1 Bq/kg). Un punto crucial es la caracterización de las distintas remesas de argón que serán utilizadas para llenar DarkSide-20K. Un novedoso detector llamado DArT medirá pequeñas muestras de UAr (aproximadamente 1~L) en cortos periodos de tiempo (pocos días) con un error menor al 10%. El número de eventos de señal esperado es muy pequeño y es necesario reducir el número de eventos de fondo dramáticamente. DArT será instalado dentro de Argón Dark Matter (ArDM), un volumen de 1 tonelada de argón líquido, que actuará como veto activo y al mismo tiempo proporcionará las condiciones criogénicas necesarias para el experimento. DArT será instalado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC) en verano de 2021.

    El trabajo principal de esta tesis ha consistido en la optimización del diseño de DArT con el objetivo de alcanzar la sensibilidad más alta posible dentro de las especificaciones requeridas por DarkSide-20K. Los resultados principales de este trabajo han sido la base del DArT in ArDM Technical Design Report presentado y aprobado por el comité científico del LSC en 2019. Además se presentan los primeros resultados obtenidos de la caracterización del detector en superficie.

    Aparte del trabajo realizado dentro de la colaboración DarkSide, se muestran otras dos líneas de investigación relacionadas con I+D+i para detectores de argón líquido. La primera es el desarrollo de un detector de partículas sensible a la longitud de onda, con el objetivo de estudiar una novedosa técnica de discriminación de partículas en gases nobles. La segunda línea de investigación está relacionada con el desarrollo de un detector para estudiar los efectos producidos por los iones positivos acumulados en los grandes detectores de argón líquido.

  • English

    There are strong pieces of evidence suggesting that ordinary matter, composed by baryons and leptons, is only the 5 % of the energy-matter content of the Universe. It is necessary to include two new components to account for all the energy-matter density in the Universe and thus explain astrophysical observations on a cosmological scale. The first one is a new, collision-less and non-luminous type of matter, called dark matter (DM), whose interactions with ordinary matter are mainly through the gravitational force. The second one is a uniformly distributed component called dark energy, which is thought to be responsible for the accelerated expansion of the Universe. According to the latest PLANCK satellite data, the dark energy accounts for 69 % of the content of our Universe and the dark matter for the 27 % [1]. The nature of dark matter and dark energy is one of the most relevant problems incurrent physics