Benjamin Censier Responsable de thèse: Alexandre Broniatowski Laboratoire d’accueil Financement Université Etude et optimisation de la voie ionisation dans l’expérience EDELWEISS Benjamin Censier Responsable de thèse: Alexandre Broniatowski IPN Orsay, 15 Février 2006

Matière noire ? MC>ML ML: Masse estimée via relations masse/luminosité Étoiles dans le visible, amas de galaxies dans les X.. MC: Masse estimée via la cinématique observée Vitesse de rotation des galaxies, Théorème du viriel appliqué aux amas.. + Fond diffus cosmologique 5% matière «lumineuse» 25% matière «noire» 70% énergie «noire» (Supernovae Ia) + Nucléosynthèse primordiale La matière noire est essentiellement non-baryonique Hypothèse WIMPs: Weakly Interactive Massive Particles MC>ML F. Zwicky

Halo galactique Courbe de rotation des galaxies Modèle de halo Halo Plate jusqu’aux limites observationnelles Force centrifuge trop grande Effet systématique Modèle de halo Halo de WIMPs Supposé sphérique, gaz parfait isotherme 1/r², M(<r) r, v(r)=cte sauf près du centre distribution Maxwellienne locale=0.3-0.5 GeV/cm3 vRMS = 230 50 km/s Vesc 650km/s Halo Galaxie Vous êtes ici 50kpc 500kpc

Méthodes de détection directe Ge NaI, Xe Al2O3,LiF DAMA (Italie) IGEX(US/Russ) HDMS(All/Russ) Liquid Xe Ge, Si CaWO4, BGO EDELWEISS (Fr/All) CDMS (US) CRESST(Ger) Rosebud(Esp/Fr) ZEPLIN (GB) XENON (US) XMASS (Jap) WIMP Ionisation ≈ 20 % absorbeur Chaleur ≈ 100% ≈ quelques % Luminescence

Contraintes de la détection directe Diffusion élastique des WIMPs sur des noyaux cibles Energie déposée: de l’ordre de 10 keV Evènements rares (<0.1 /kg/jour) Laboratoire souterrain + Blindage Basse radioactivité Masse exposée Mesure stable sur temps longs (>année) Signature expérimentale Modulation annuelle, journalière Comparaison entre absorbeurs Discrimination du fond événement par évènement Maîtriser le fond

Détecteurs EDELWEISS Détecteurs 320g Ge ultra-pur Ge Voie ionisation « Centre » Voie ionisation « garde » electrons Ge monocristallin E Voie chaleur Particule incidente Thermomètre NTD trous Ionisation: quelques milliers de charges collectées en quelques centaines de nanosecondes électrodes Al + sous couche amorphe Chaleur: quelques µK en quelques ms Neutron Transmutation Doped thermistor (NTD)

Discrimination événement par évènement Calibration: neutrons+gammas Calibration: gammas seuls Gammas, electrons Reculs électroniques Q 73Ge(n,n’,) Neutrons, WIMPs Reculs nucléaires Seuil ionisation Rapport ionisation/chaleur différent pour reculs nucléaires et électroniques Rejet de plus de 99.9% des reculs électroniques pour Erecul>15keV

Où en est-on ? Fin première génération (-n >10-6pb ): 0.1 évènements/kg/jour pour détecteurs cryogéniques Début d’exploration des modèles supersymétriques CDMS, CRESST EDELWEISS-I present (~0.1 event/kg/day) Début deuxième génération (-n >10-8pb ): But: amélioration d’un facteur 100 Cœur de l’espace des paramètres Troisième génération (-n >10-10pb ): 1 tonne de détecteur Quelques évènements/t/an ! CDMS-II, CRESST-II, EDELWEISS-II, XENON, XMASS sensitivity goals (~a few events/ton/day) 1 Ton sensitivity goal (optimistic) (~a few events/ton/year) L. Rozkowski et al., hep-ph/0208069

Les leçons d’EDELWEISS-I 2 limitations principales: EDELWEISS-II: 2 améliorations principales: Fond neutrons (1 coïncidence n-n sur 62 kg.jour) Evènements proches des électrodes mal collectés Amélioration blindage + veto muons Identification des évènements proches des électrodes

Les leçons d’EDELWEISS-I Données EDELWEISS-I, run de fond

Évènements mal collectés proches des électrodes Run de fond avec et sans coïncidences Calibration gamma Méthode passive: sous-couches amorphes (Ge ou Si hydrogéné) Méthode active: localisation des évènements dans le détecteur identifier ces évènements améliorer notre compréhension de la collecte de charges « Final results of EDELWEISS-I » V. Sanglard et al. (2005)

Identification des évènements proches des électrodes Tirer le maximum d’informations de chaque évènement Voie chaleur: Mesure des phonons athermiques (Couches minces NbSi) R&D Voie ionisation: Mesures résolues en temps des signaux ionisation Simulation du transport et des signaux associés Broniatowski et al., 2001 10 8 6 4 2 Signal (mV) -800 -400 400 800 Time (ns)  event 122keV Experimental signal Holes collected Best fit by simulation Induced charge(A.U) Electrons collected Travail de thèse: Utilisation conjointe des expériences et des simulations pour étudier la physique de la mesure d’ionisation Time (ns)

Physique de la mesure d’ionisation Spécificités: Très basses températures (20mK) Faibles champs de collecte (V/cm) 1ère conséquence: Régime non-ohmique Porteurs «chauds» hors équilibre thermique (Te>Tabsorbeur) Vitesse proportionnelle au champ électrique Mesure des lois de vitesse électrons à 8K (Jacoboni et al., 1981)

Physique de la mesure d’ionisation e-réémis Bande de conduction 2ème conséquence: Accumulation charge piégée Faible densité de pièges (1010/cm3, sauf surfaces...) Mais faible champ de collecte Et réémission négligeable Constitution progressive d’une charge d’espace Contre-champ induit suffisant pour perturber le champ appliqué (105 charges/cm31 V/cm) Energie e-piégé 0.7eV 0.01eV Bande de valence (kT10-6eV)

Régénération, dégradation 2 questions liées: Quelle est l’efficacité de la méthode de neutralisation des pièges ?  étude de la régénération du détecteur Quelle est l’influence du piégeage sur la qualité de la collecte ?  étude de la dégradation du détecteur 3 expériences: Distribution de charge et dégradation due au piégeage en surface Caractérisation du piégeage en volume dans l’état régénéré Distribution de charge et dégradation due au piégeage en volume 2 outils: Utilisation croisée des simulations et des mesures résolues en temps Amplitude des signaux ionisation: géométrie des lignes de champs Temps de montée des signaux: valeur moyenne du champ électrique

Simulation du transport & Synthèse des signaux ionisation Calcul du champ électrique Géométrie du détecteur + tension appliquée Charge d’espace Interaction coulombienne entre porteurs + Lois de vitesse Mesures à 8K (Jacoboni et al., 1981) Trajectoires des porteurs Théorème de Ramo Signaux induits sur les électrodes électrons trous Simulation  122 keV 50 paquets de charge Voie centre Voie garde

Dispositifs expérimentaux Cryogénie: cryostat à dilution 3He/4He, T20mK Électronique: amplificateur de charge bas bruit Temps de montée 10%-90% de l’ordre de 100 ns Détecteurs: Au laboratoire souterrain de Modane À Orsay

I - Dégradation due au piégeage en surface

Piégeage en surface Surfaces libres: densité de pièges > 1011/cm2 Mise à profit des détecteurs tests (grandes surfaces libres) Méthode de création/caractérisation de charge surfacique dégradation contrôlée du détecteur 3 étapes: Irradiation gamma 22Na + acheminement des porteurs aux surfaces Collecte des gammas 57Co sous l’effet de la charge piégée Modélisation/simulation Tension centre signal centre Tension garde 57Co signal garde 1cm 1cm 1 cm 1cm Tension référence Boîtier Cu doré

Polarisation du détecteur Toutes les électrodes à la même tension + boîtier à la masse  toutes les lignes de champs passent par une surface libre -6V Boîtier Cu -6V

Etape I – Dégradation Porteurs amenés aux surfaces libres Irradiation gamma par source 22Na  génération de porteurs, conduits aux surfaces (trous ou électrons suivant le signe de la tension) -6V  ~500 keV 22Na -6V

Suivi de la dégradation Etat stationnaire dégradé Amplitude centre (V) vs. Temps (s) Le rendement de collecte diminue Temps de montée garde (ns) vs. Temps (s) La collecte se ralentit Dans l’état dégradé stationnaire, champ électrique faible Le contre-champ induit par la charge piégée s’oppose au champ appliqué

Etape II - Sondage de l’état dégradé Électrodes à la masse, source 22Na éloignée  seul subsiste le champ induit par la charge surfacique  122 keV 57Co Charge surfacique négative

Scatter-plot amplitude centre vs. amplitude garde Run 57Co Surfaces chargées négativement Toutes les électrodes à la masse Run 57Co Détecteur régénéré Toutes les électrodes à V<0

Etape III - Modélisation État dégradé stationnaire Charge surfacique négative Détecteur équipotentiel Métallisation des surfaces Portées à –6V Détecteur équipotentiel -6V -6V Charge surfacique négative  Eint=0 Eint=0 Eext Eext -6V

Distribution de charge calculée Distribution de charge surfacique annulant le champ appliqué lorsque toutes les électrodes sont à –6V Charge surfacique (107e-/cm²)

Scatter-plot simulé Scatter-plot experimental : détecteur dégradé sous –6V électrodes à la masse Scatter-plot simulé: électrodes à la masse + charge surfacique calculée + diffusion compton

Identification des populations Division des charges centre/garde e- collectés par l’électrode garde e- collectés par l’électrode centre Division des charges réf/centre e- collectés par l’électrode référence

En résumé Méthodologie: Résultats: Validation de la méthode de création/sondage de charge d’espace Résultats: Mise en évidence piégeage en surface Influence d’une charge surfacique sur la collecte

II - Etude du piégeage en volume dans l’état régénéré

Principe de l’étude Détecteurs EDELWEISS Tension de collecte Détecteurs EDELWEISS Mesure des longueurs de piégeage : Déterminées par mesure du rendement de collecte Position en énergie de la raie 122keV (amplitudes des signaux) Déterminées par étude de la corrélation rendement de collecte/ position dans le détecteur Corrélation amplitude/ temps de montée des signaux 122 keV 57Co position A h: trous  e: électrons Ni: densité de pièges de type i i: section efficace de piégeage 57Co position B

Spectre ionisation en fonction de la tension de collecte Raie  122 keV Raie  136 keV Rendement de collecte diminue à basse tension Dégradation de la résolution à basse tension

Rendement de collecte en fonction de la tension de collecte Mesures de rendement de collecte, calibrées par rapport à +4V V<0 V>0 57Co 57Co   e- h+ Tension de collecte négative: les électrons parcourent l’essentiel du détecteur Tension de collecte positive: les trous parcourent l’essentiel du détecteur

Rendement de collecte et longueurs de piégeage (d=2 cm) Modèle 1D: e h Asymétrie par rapport au signe de la tension et aux 2 positions de sources piégeage plus efficace des électrons

Corrélation rendement de collecte/temps de montée -1V 57Co position A +1V   e- h+ Raie 122keV +1V Raie 122keV –1V Raie 136 keV Contribue à la dégradation de la résolution en énergie à basse tension

Modélisation 1D: rendement de collecte vs. position z h+

Modélisation 1D: temps de collecte vs. position z (T=20mK, E=0.5 V/cm)

Modélisation 1D: temps de collecte vs. rendement Rendement vs. z Temps de collecte vs. z

Comparaison qualitative aux expériences +1V, position A -1V, position A Modèle 1D e=21cm, h=71cm (valeurs déterminées par mesure du rendement de collecte)

Détermination de  Ajustement du modèle 1D rendement=f(z) aux données expérimentales Détermination de e et h Utilisation des données de localisation par la voie ionisation Disponibles pour une tension de collecte de 1V

Détermination de  e=214 cm h=71  50 cm Compatible avec mesures de rendement de collecte: e=214 cm h=71  50 cm

Résumé des mesures Mesuré par rendement de collecte Mesuré par ajustement sur la corrélation rendement de collecte/position

Nature des pièges ? Peu de données sur le contenu en impuretés: e- Dopage net: |Na-Nd|qques109/cm3 Na, Nd de l’ordre de 1010/cm3 Données de la littérature: Peu de données sections efficaces à très basse température Données disponibles: porteurs thermalisés e- Bande de conduction Niveaux donneurs, densité Nd Niveaux accepteurs, densité Na h+ Bande de valence

Sections efficaces de piégeage sur impuretés ionisées Section efficace de piégeage des trous sur accepteurs ionisés - 1/T3 Section efficace (cm²) (Abakumov, 1991) Température (K)

Sections efficaces de piégeage sur impuretés neutres neutre<< ionisé (3 à 4 ordres de grandeurs) Trous sur donneurs neutres Section efficace (cm²) Électrons sur accepteurs neutres (Abakumov, 1991) Température (K)

Nature des pièges  de  10 cm à 100cm, =1/(N): Avec N=1010/cm3,  de 10-11 à 10-12 cm² ionisé(T)  T  3 à 10 K, cohérent avec 5 à 25K Si piégeage sur impuretés neutres: neutre  10-15cm2  N  1013 à 1014/cm3 Proportion significative des impuretés dopantes ionisée

Etat de charge du détecteur Bande de conduction Bande de conduction + + + + + + + + + + + + + + + + + donneur ionisé + donneur neutre - accepteur ionisé - accepteur neutre - - - - - - - - - - - - Bande de valence Bande de valence Après mise en froid Après régénération incomplète

Etat de charge du détecteur + - + - + + - + + - + - + Neutralité électrique globale Champ électrique local + + - - + - - - + + +

En résumé Méthodologie Résultats: Exploitation des mesures résolues en temps Résultats: Asymétrie trous/électrons Longueurs de piégeage  impuretés dopantes chargées

III – Dégradation due au piégeage en volume

Dégradation due au piégeage en volume Détecteur EDELWEISS Quelle type de distribution de charge due au piégeage en volume sous irradiation uniforme ? Utilisation de la méthode de caractérisation de la charge d’espace: Dégradation contrôlée par 60Co jusqu’à l’observation d’un état stationnaire (effets marqués de la charge piégée + reproductibilité) Sondage de la distribution de charge piégée avec 57Co et sans tension appliquée

I – Dégradation contrôlée Source 60Co en dehors du cryostat  2.2105 paires électron-trou /cm3/s (40MeV/s dans le détecteur) Irradiation sous tension appliquée 1V Suivi amplitude et temps de montée en cours de dégradation 60Co (dégradation) 1V 57Co (sonde)  

I – Dégradation contrôlée 1V 60Co  Suivi des temps de montée en cours de dégradation (104 s)

I – Dégradation contrôlée Suivi de l’évolution du rendement de collecte Calibrations intermittentes avec 57Co

II – Caractérisation de l’état dégradé: temps de montée Toutes les électrodes à la masse, source 57Co Distribution des temps de montée Contre-champ de l’ordre du champ appliqué 57Co 

II – Caractérisation de l’état dégradé: Scatter-plot centre vs. garde Contre-champ opposé au champ appliqué lors de la dégradation Scatter-plot sans tension appliquée, après dégradation sous +1V Scatter-plot avec tension –1V, détecteur régénéré Raie 122 keV, évènements centre pur

II – Caractérisation de l’état dégradé: Scatter-plot centre vs. garde Rendement de collecte important (80%) Les charges parcourent l’essentiel de l’épaisseur du détecteur Pas de dépendance à la position de source  Rendement de collecte limité par la géométrie du champ électrique Histogramme amplitudes des évènements centre pur Scatter-plot sans tension appliquée, après dégradation sous +1V Rendement de collecte80%

Distribution de charge piégée (1D) 100% 80% Flux de porteurs inhomogènes Croissance de charge plus rapide sous les électrodes Nécessité d’une distribution piquée vers les électrodes 100% 80% E

Simulation 2D Modèle simplifié

Scatter-plot simulé Modèle simplifié Position et énergie des évènements fournis par GEANT (Gérard Nollez, IAP)

Expérience complémentaire Sondage de l’état de charge sous les électrodes par rayonnement  peu pénétrant Détecteur test 60Co Collimateur collecte Ge   241Am

Expérience complémentaire Vcollecte=- 49V Vcollecte=+49V Alpha 5.5 MeV (241Am) Raie  1333 keV (60Co)

En résumé Méthodologie: Résultats: Méthode de création/sondage de charge d’espace Exploitation des mesures résolues en temps Résultats: Développement de charge sous les électrodes Efficacité régénération sous les électrodes?

Conclusions et perspectives Piégeage en surface/ piégeage en volume Charge surfacique: Importance de la géométrie Piégeage en volume: relativement faible aux tensions de collecte utilisée dans EDELWEISS (rendement >99% à 4V) Piégeage près des électrodes  zone morte Régénération État de charge du détecteur Efficacité près des électrodes ? Conception des détecteurs Technologie des contacts électrode/Ge Optimisation de la géométrie des électrodes R&D électrodes segmentées (interdigitées)