A Search for Non-Baryonic Dark Matter Using an Ionisation Bolometer in the EDELWEISS Experiment
Recherche de matière sombre non-baryonique au moyen d'un bolomètre à ionisation dans le cadre de l'expérience EDELWEISS
Résumé
The EDELWEISS experiment is an underground direct-detection search for hypothetical supersymmetric WIMPs that might solve the problem of dark matter. We have employed a cryogenic 70 g germanium ionisation bolometer, in which a WIMP would scatter elastically off a nucleus, creating both a heat and an ionisation signal. To offset the various electronic noises present in our necessarily small signals, we have applied an optimal filtering technique in the frequency domain. This allows us to reach resolutions of 1.2 keV FWHM at 122 keV on both channels. It also provides good separation right down to low energies between the expected signal of nuclear recoils, and the photonic background of electron recoils which ionise more for a given energy. Calibration data show that we are able to reject 99.7% of this background, while keeping 95% of the signal. However, our 1.17 kg.days of data searching for WIMPs show a third population encroaching on the expected signal. This is probably due to low energy photons or electrons interacting in the outer layers of the crystal, where charges are incompletely collected. Nevertheless, by trading off half of the conserved signal, we still manage to reject 98.5% of the background. Thus the raw rate of 40 evts/d/kg/keV yields a conservative 90% upper limit on the signal of 0.6 evts/d/kg/keV. This represents nearly a three orders of magnitude improvement for EDELWEISS, and puts the predicted supersymmetric phase space within two orders of magnitude.
Dans le cadre de l'expérience EDELWEISS, nous avons cherché des WIMPs, hypothétiques et discrètes particules supersymétriques, qui pourraient éclaircir l'énigme de la matière sombre. Pour cela, nous avons employé un bolomètre à ionisation, monocristal de 70 g de germanium à 20 mK, dans lequel un WIMP diffusant élastiquement sur un noyau créerait deux signaux : une impulsion de température et une charge. Afin de s'affranchir des bruits électroniques affectant nécessairement les signaux, faibles, nous avons appliqué une méthode de filtrage optimal dans l'espace des fréquences. Elle fournit des résolutions de 1.2 keV LTMH à 122 keV d'énergie sur les deux voies. D'autre part, elle permet de bien séparer jusqu'aux basses énergies le signal attendu (reculs nucléaires) des contaminations radioactives photoniques (reculs électroniques, plus ionisants pour une énergie identique). Ainsi, sur des étalonnages, nous rejetons 99.7% du fond,tout en conservant 95% du signal, au-delà de 15 keV. Lors des 1.17 kg.jours de données prises pour chercher les WIMPs, nous avons constaté une population du fond radioactif s'immisçant dans le signal attendu. Il s'agit vraisemblablement d'une composante électromagnétique de basse énergie, interagissant superficiellement dans le détecteur, où la charge ne peut être collectée complètement. Néanmoins, moyennant la conservation de seulement la moitié du signal, nous pouvons encore rejeter 98.5% du fond. Ceci permet de passer d'un taux de 40 évts/j/kg/keV à une limite supérieure (à 90%) conservatrice sur le signal de 0.6 évts/j/kg/keV. Il s'agit d'une amélioration de près de trois ordres de grandeur depuis la campagne précédente, et qui se rapproche des zones prédites par la supersymétrie.
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