Bolomètres massifs: pièges de cristal pour la Matière Noire Journée de prospective Dapnia X-F Navick CEA - DSM - Dapnia- Sedi 7 Décémbre 2005.

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1 Bolomètres massifs: pièges de cristal pour la Matière Noire Journée de prospective Dapnia X-F Navick CEA - DSM - Dapnia- Sedi 7 Décémbre 2005

2 Signal   T = E o / C Résolution  E  C 1/2 T et C =  T + A T 3  Intérêt pour : C la plus faible et très basse T Basse température ? Ge Si Diamant Saphire Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

3 Détecteurs cryogéniques Si k >> K Signal   T = E o / C th Si k > K Signal   T = E o / C T Mode isothermeMode athermique K Absorbeur C abs Thermomètre C th Bain ou Thermostat k Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

4 Limite thermodynamique - performance Résolution statistique :  E = 2,35 (F  i Eo) 1/2 Pour E o =20 keVSemi-conducteur  i = 3eV  E = 580eV Détecteur gazeux  i = 30eV  E = 1800eV Scintillateur  i = 100eV  E = 3300eV à 20mK Bolomètre Al 2 0 3 kT ~ 2  eV  E = 2eV (1g )  E = 20eV (100g) Exemples de résolution expérimentale : Mc Cammon et alM = 10 -5 gX de 6keV  E = 7eV EdelweissM = 320g X de 10keV  E ~ 300eV CuoreM = 760g  de 5,4MeV  E ~ 4keV Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

5 Détecteurs cryogéniques massifs Pourquoi les détecteurs cryogéniques ? Pour les seuils et leurs résolutions en énergie Pour leur large choix de noyaux cibles Pas uniquement des bolomètres fonctionnant dans un mode isotherme mais également détecteurs de phonons balistiques Pourquoi massifs ? Applications : détection d’événements rares (Matière Noire non baryonique, désintégration double beta sans neutrino, désintégrations de noyaux de longues durées de vie …) Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

6 Matière Noire Wimps : particules massives interagissant faiblement avec la matière Taux de reculs nucléaires attendus,  1 à 10 -6 evt. jour -1.kg -1 entre 1 et 100 keV Laboratoire souterrain (Rayons cosmiques) Environnement basse radioactivité et blindage plomb archéologique Taux de reculs électroniques résiduels  10 à 100 evt. jour -1.kg -1 entre 1 et 100 keV  Détecteur à mesure simultanée de la chaleur et de l’ionisation (ou de la scintillation) Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

7 CRESST CaWO 4 Discrimination des reculs nucléaires Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

8 Détecteurs ionisation-chaleur Amplificateur de tension Amplificateurs de charge Senseur thermique (NTD Ge) Electrodes Al (collection de charge ) Monocristal Ge WIMP rayons X ou   D = 2 cm Electrode Al V = 1-6 Volts T = 20 mK - - -- - - +++ Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

9 Détecteurs d’Edelweiss Vue de dessus face métallisée et NTD Vue de dessous face métallisée et anneau de garde Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

10 CDMS Z-dependent Ionization & Phonon Detector 1 LTMH @ 0keV = 1keV (ionisation) 320eV (chaleur) trigger 100% > 5keV Fond photon ~ 1 evt/keV/kg/jr dans Ge et ~ 3 evt/keV/kg/jr dans Si Réjection 99,8% Les détecteurs mesurent simultanément l’ionisation et le signal phonon athermique. Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

11 Collection incomplète des charges Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005 A très basses T et V -> écrantage du champ électrique -> diffusion Perte de charges dans la “mauvaise” électrode -> collection incomplète Protection contre la contamination de surface? Réjection active ou passive ? Couches amorphes (Ge or Si) améliorent la collection de charges

12 Origines des événements de surfaces Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

13 Protection passive Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005 Sous-couches amorphes : Al / aGe:H / cGe / aGe:H / Al => GGA Couches épaisses (fenêtres d’entrée) 20mK E --- +++ Al aGe:H GeAl aGe:H

14 Décalage en temps entre signaux ionisation et chaleur + temps de montée du signal chaleur pour identifier excès de composante athermique Rejet des événements de surface associés avec mauvaise collection des charges  surface  neutron Rejet des événements de surface dans CDMS Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

15 Rejet actif: Peignes interdigités Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

16 Deux films NbSi forte composante athermique du signal chaleur pour les événements de surface Rejet de 95% des événements à mauvaise collection charge Réduction ~20% du volume fiduciel Optimisation des films pour améliorer la résolution en énergie Surface Bulk Mesure des phonons athermiques Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

17 Mesure résolue en temps de la collection des charges (HEMT) Comparaison avec un ensemble de pulses simulés Low-T, champ faible, transport non- ohmique, auto-repulsion des charges Localisation ~1mm à >50 keV Diagnostique de la création de charge d’espace en surface et en volume Analyse de la forme du signal ionisation Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

18 Développement de HEMT En collaboration avec le LPN Les Hemt fonctionnent à TBT contrairement au Fet-Si Haute mobilité des électrons => faible bruit Faible puissance dissipée (intérêt pour expérience 1 tonne ou manip embarquée) Faible capacité d’entrée (améliore signal/bruit au niveau du préampli) Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

19 Scintillation à TBT Grande variété de noyau cible pour tester si l’interaction des Wimps est spin-dépendant ou non Contrôle de systématiques telles que fond neutron Actuellement : CaWO 4, ZnWO 4, BGO, Al 2 O 3, LiF, TeO 2, SrF 2. Les propriétés régissant la production de la lumière sont mal connues. Etudes systématiques de la scintillation à TBT (CRESST, ROSEBUD). Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

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21 Détecteurs scintillation-chaleur V NTD BGO ROSEBUD, IAS, Saragosse, Canfranc Scintillation-chaleur : BGO (46g), CaWO4 (54g) Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

22 CRESST –SiW 400  m –W-TES sensor –Amélioration signal/bruit par effet Joule ? (TAUP 05) ROSEBUD R&D –Ge 50  m –Ge-NTD Seule 1% de la lumière émise est mesurée Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005 Détecteurs lumière

23 Corrélation lumière chaleur Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

24 MPI et TU Munich,Univ. Oxford, Gran Sasso Détecteur de 300g en CaWO 4 Réjection 98% 10-20 keV 99,7% 15-25 keV 99,9% > 20 keV Objectif CRESST 2 66 SQUID déjà en place 10 kg CaWO 4 (33 modules de 300 g) pour 2006 fond de 1cp/kg/keV/jr, réjection 99,7% 15-25 keV, exposition 30 kg.an CRESST 2 Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

25 CDMS 2 Objectif : 7 tours de 4 détecteurs Ge (250g) et 2 Si (100g) Dans la mine de Soudan (USA) Masse totale = 8 kg 1 tour 4 x 250 g Ge + 2 x 100 g Si depuis 2003 2 tours pour prise de données 2005, ~2 kg Ge 5 tours installées fin 2005. Z1 (Ge) Z2 (Ge) Z3 (Ge) Z4 (Si) Z5 (Ge) Z6 (Si) SQUID cards FET cards 4 K 0.6 K 0.06 K 0.02 K Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

26 Détecteurs Edelweiss 2 Réduction du fond Basse radioactivité (sélection matériau, nouveau blindage, protection radon et cosmogénèse) Anti-coïncidence gamma et neutron Veto anti-muons Phase 21 détecteurs (7kg) (avec sous couche amorphe) Phase 120 détecteurs (36kg) Rejet des événements de surface grâce à la localisation Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

27 CRESST: 66 SQUID (33 détecteurs) EDEWEISS: 100 à 300 voies (Ge-NTD, NbSi haute impédance + charge) Expérience 1 tonne : integration de milliers de voies Electronique Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

28 Et après? Projet d’expérience d’une tonne Augmentation de la masse des modules (1kg) Assemblage compact pour optimiser le rejet les coïncidences Basse radioactivité (fabrication site souterrain adapté) Protection muons à l’aide de véto Réflexion sur diversification des objectifs scientifiques Germanium enrichi Ge73 pour couplage axial et/ou Ge76 pour double beta Réduction des coûts ? Envisageable si investissements dès aujourd’hui pour rechercher d’autres fournisseurs. Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

29 Eureca - SuperCDMS Convergence en Europe sur une expérience cryogénique Eureca, fondée sur les expériences actuelles, utilisant plusieurs noyaux cibles, EURECA: European Underground Rare Event Calorimeter Array Lettre d’interêt, Avril 2005 et organisation des groupes de travail SuperCDMS (Cold Dark Matter Search) Déménagement au SNOLab en 2007 pour réduire le fond neutron (muons) Nouveau cryostat pour accueillir des détecteurs plus massifs (~600 g) Phase A: 7 tours, 27 kg en 2011 (~10-9 pb) Phase B: 19 tours, 145 kg en 2014 (~10-10 pb) Phase C: plus d’1 tonne (~10-11 pb) Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

30 Cuore CUORE = closely packed array of 988 detectors 19 towers - 13 modules / tour - 4 détecteurs / module M  741 kg Cryogenic Underground Observatory for Rare Events Désintégration double beta, Matière Noire Objectif : détecter la modulation annuelle du taux d’événements dus aux WIMPs T fonctionnement ~ 9 mK Résultats du meilleur détecteur 2 keV FWHM @ 1 MeV 3 keV FWHM @ 2.6 MeV 4 keV FWHM @ 5.4 MeV “The best  spectrometer ever realized” Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

31 Important constraint: radiopurity of support structure and cryostat Développement d’une structure mécanique légère et solide R&D sur les procedures de nettoyage matériaux ultrapurs Structure extensible Cuore Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

32 Bolomètre à surface sensitive pour rejeter radioactivité ,  issue du cuivre proche Rejet des événements de surface dans Cuoricino Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

33 Domaine spécifique : fond <100 keV Avec progrès en sensibilité, efforts parallèle sur radiopureté et discrimination Réduction extrême de la radioactivité : –Identification des contaminants Grâce à la discrimination des détecteurs eux même Analyse poussée des matériaux (banc cryogénique spécifique?) –Recherche pour améliorer le choix des matériaux et traitement Points actuels les plus importants: –Control du niveau de Radon à chaque étape (fabrication, manip) –Surfaces du cuivre : comment nettoyer et maintenir propre –contaminations en 14 C, 40 K des surfaces au cours des traitements Radiopureté Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

34 Enjeux pour les détecteurs Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005 Fabrication de détecteurs en série (reproductibilité, fiabilité, industrialisation, traçabilité…) Radiopureté: Contraintes extrêmes sur les détecteurs et leurs supports Résoudre le problème de la collection des charges pour les événements de surface qui peuvent être considérés comme des reculs nucléaires Améliorer le rendement de collection de la lumière et son amplification à TBT afin de différencier les reculs nucléaires des événements sans scintillation.

35 Conclusion Fort potentiel des bolomètres massifs dans la recherche d’événements rares (meilleures limites pour la détection directes des Wimps) Enjeux actuels liés aux événements de surface ou au très faible rendement de scintillation Soutenir R&D intense pour améliorer la réduction du fond radioactif et sa discrimination en parallèle de l’augmentation de la masse Relations de compétition/collaboration entre les expériences sont saines et stimulantes R&D =>JR7 Projet 1 tonne SuperCDMS, Eureca Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005

36  = 10 -6 pb: ~1 evt/kg/jour <0.1 déjà attente  = 10 -8 pb: ~1 evt/kg/an CDMS-II, CRESST-II et EDELWEISS-II  = 10 -10 pb: ~1 evt/tonne/an Prochaine génération d’expérience amélioration d’un facteur x100! Sensibilité présente et future Journée Prospective Dapnia X-F Navick 7 Décembre 2005