Recherche de matière noire avec l’expérience EDELWEISS Silvia SCORZA Université Claude Bernard- Institut de Physique Nucléaire de Lyon JRJC 2007

SOMMAIRE La matière noire Edelweiss-I Edelweiss-II Conclusions Détection indirecte et directe Edelweiss-I Résultat final Edelweiss-II Set-up Conclusions 22 November 2018 JRJC 2007- Dinard

Motivations pour la recherche de matière noire DM présente à toutes les échelles de l’Univers… ΩB=0.044±0.004 ΩM=0.27±0.04 Ωtot=1.02±0.02 ΩDM=0.22±0.02 ΩM~0.3 0.012<Ωbh2<0.025 Neutralino Particule de Majorana, spin = 1/2 De charge et de couleur neutres Stable (si la R-parité est conservée)  reliquat présent de nos jours Interaction avec nucléon : entre 10-11 et 10-5 pb Masse : entre 40 GeV/c² et 1 TeV/c² Galaxy Clusters CMB … et bientôt, peut-être aussi dans le LHC. Candidat naturel vient des scénarios de la Nouvelle Physique, comme la SUSY -> WIMP 22 November 2018 JRJC 2007- Dinard

Détection directe ou indirecte ANTARES SUPER-K Détection INDIRECTE : détection des produits d’ annihilation de 2 WIMPs au centre de la Galaxie, de la Terre ou du Soleil Neutrinos AMANDA, ANTARES, SuperKamiokande Particules des rayons cosmiques ( ) PAMELA, AMS-02 Rayons gammas HESS, CANGAROO, EGRET, GLAST Détection DIRECTE : interaction d’un WIMP avec une cible placée dans un laboratoire (diffusion sur un noyau)  recul nucléaire mesurable AMANDA AMS EGRET HESS 22 November 2018 JRJC 2007- Dinard

Détection directe – Le Principe  Détection de l’énergie déposée dans le cas de la diffusion élastique d’un WIMP sur un noyau cible Seuil en énergie bas Grande masse de détecteur Bruit de fond bas Sites souterrains Grande radio-pureté Blindages actif et passif Taux : < 1 ev /kg/week Énergie de recul : 10 – 100 keV 22 November 2018 JRJC 2007- Dinard

Détection directe - Les Techniques WIMP Chaleur Ionisation Lumière Ge Xe, Ar NaI, Xe Ge, Si CaWO4, BGO, Al2O3 Al2O3, LiF Interaction élastique Noyau cible EDELWEISS XENON ROSEBUD CDMS CRESST 22 November 2018 JRJC 2007- Dinard ZEPLIN

La collaboration EDELWEISS CEA Saclay DAPNIA DRECAM CNRS IN2P3/CSNSM Orsay IN2P3/IPN Lyon DSM/CRTBT Grenoble INSU/IAP FZK/Univ. Karlsruhe (Allemagne) DUBNA (Russie) Laboratoire Souterrain de Modane * Expérience pour Détecter Les WIMPs En SIte Souterrain 22 November 2018 JRJC 2007- Dinard

EDELWEISS @ LSM EDW I  2004 EDW II 2007  22 November 2018 JRJC 2007- Dinard

Détecteurs EDELWEISS GeNTD Mesure simultanée : Ionisation @ qq V/cm avec des électrodes d’Al Couche amorphe (Si ou Ge)  amélioration de la collecte de charge Chaleur @ 17 mK avec Ge/NTD sensor Ionization center Fiducial volume(≈ 57%) Heat guard Thermometer (Ge NTD) Reference electrode Center electrode Guard Electrodes Ge crystal 22 November 2018 JRJC 2007- Dinard

Discrimination n/γ EDELWEISS Facteur de quenching différent pour les reculs nucléaire et électronique (bruit de fond dominant) Différentiation événement par événement des reculs électronique et nucléaire GAMMAS NEUTRONS 22 November 2018 JRJC 2007- Dinard

Résultats EDELWEISS-I 3 x 320 gr Ge bolomètres 62 kg/d exposition fiducielle 40 candidats observés dans la zone de reculs nucléaires avec ER>15 keV dont 3 entre 30 et 100 keV Meilleure sensibilité : 1.5x10-6 pb @ 80 GeV/c2 Pour améliorer cette sensibilité de 2 à 4 ordres de grandeur: discrimination du fond masses (EDW-II, EURECA) V.Sanglard et al., PRD 71, 122002 (2005) 22 November 2018 JRJC 2007- Dinard

Setup EDELWEISS-II Buts : Atteindre une sensibilité 100xEDW-I soit Radiopureté : Détecteur HPGe dédié aux vérifications systématiques des matériaux Air déradonisé (0.1-10 Bq/m3) Blindages 20 cm de Plomb 50 cm de PE (contre les neutrons) Véto muons (couverture > 98%) Cryostat Volume utile de 50l  jusqu’à 40 kg de détecteurs Arrangement hexagonal compact des bolomètres Ge/NTD Ge/NbSi (R&D: rejet actif des evts de surface) IAS détecteur chaleur-lumière Nouvelle Acquisition et Électronique Buts : Atteindre une sensibilité 100xEDW-I soit W-n 10-8 pb (0.002 evt/kg/j) R&D pour EURECA 22 November 2018 JRJC 2007- Dinard

27 détecteurs installés en mars 2007 22 x 320 g NTD 2 x 200 g NbSi 1 x 400 g NbSi 1 x 50 g 73Ge NTD 1 x 50 g Al2O3 IAS 22 November 2018 JRJC 2007- Dinard

Spectre gamma EDW-II vs EDW-I EDW-I : ~700 gamma/kg/j pour E > 100 keV EDW-II : ~300 gamma/kg/j pour E > 100 keV Le nouveau blindage fonctionne bien 22 November 2018 JRJC 2007- Dinard

Q-plot à basse énergie Résultats avec les 8 détecteurs avec les plus faibles seuils (ER > 30 ± 5 keV) Sélection des événements centre pur Exposition de 19.3 kg.j Pas d’événements observés Rapport ionisation/recul Seuils en énergie de recul (entre 20 et 35 keV) 22 November 2018 JRJC 2007- Dinard

Courbe d’exclusion EDW-II projection EDW-I 2003 data 22 November 2018 JRJC 2007- Dinard

Conclusions/Perspectives Recherche directe de la matière noire Détecteurs cryogéniques avec discrimination de reculs nucléaires: technique la plus performante à l’heure actuelle EDELWEISS-I A atteint ses limites, mais très riche en enseignement EDELWEISS-II démarre, objectif: 10-8 pb Progrès considérables lors des derniers mois (cryogénie, bruit, qualité des données, …) Diversité des détecteurs (Ge/NTD, Ge/NbSi, Ge/ID) Objectif final (10-10 pb) très ambitieux EURECA 22 November 2018 JRJC 2007- Dinard

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