Study and optimisation of the ionisation channel in the EDELWEISS dark matter direct detection experiment

Étude et optimisation de la voie ionisation dans
l'expérience EDELWEISS de détection directe de la
matière noire

Benjamin Censier (1)

1 CSNSM - Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse

The EDELWEISS experiment is aiming at the detection of Weakly Interactive Massive Particles (WIMPs), today's most favoured candidates for solving the dark matter issue. Background ionising particles are identified thanks to the simultaneous measurement of heat and ionisation in the detectors. The main limitation to this method is coming from the ionisation measurement, charge collection being less efficient in some part of the detectors known as «dead» areas. The specificity of the measurement is due to the use of very low temperatures and low collection fields. This thesis is dedicated to the study of carrier trapping. It involves time-resolved charge measurements as well as a simulation code adapted to the specific physical conditions. We first present results concerning charge trapping at the free surfaces of the detectors. Our method allows to build a surface-charge in a controlled manner by irradiation with a strong radioactive source. This charge is then caracterised with a weaker source which acts as a probe. In a second part of the work, bulk-trapping characteristics are deduced from charge collection efficiency measurements, and by an original method based on event localisation in the detector. The results show that a large proportion of the doping impurities are ionised, as indicated independently by the study of degradation by space-charge build-up. In this last part, near-electrodes areas are found to contain large densities of charged trapping centres, in connection with dead-layer effects.

Le but de l'expérience EDELWEISS est la détection de particules massives très faiblement interagissantes, candidats actuellement majeurs pour résoudre le problème de la matière noire. On identifie les particules ionisantes du fond grâce à la mesure simultanée de chaleur et d'ionisation dans les détecteurs. La principale limitation à cette méthode provient de la mesure d'ionisation, la collecte de charges étant altérée dans certaines zones dites «mortes» du détecteur. La spécificité de la mesure tient à l'emploi de très basses températures et de faibles champs de collecte. Cette thèse est consacrée à l'étude du piégeage de porteurs, par l'utilisation conjointe de mesures résolues en temps et d'un code de simulation adapté à ces conditions physiques particulières. On présente tout d'abord les résultats concernant le piégeage sur les surfaces libres des détecteurs. Notre méthode permet de constituer une charge surfacique de manière contrôlée sous irradiation par une source de forte activité, pour ensuite la caractériser à l'aide d'une source plus faible utilisée comme une sonde. Dans une deuxième étude, les caractéristiques du piégeage en volume sont déduites de mesures du rendement de collecte, ainsi que par une méthode originale utilisant la localisation des évènements dans le détecteur. Les résultats montrent qu'une proportion importante des impuretés dopantes sont chargées, comme l'indique de manière indépendante l'étude concernant les phénomènes de dégradation liés à la constitution d'une charge d'espace. Ce dernier volet met également en évidence la présence de nombreux pièges chargés sous les électrodes, et leur lien avec les effets de zone morte.

Mots clés: Dark matter detection; bolometer; cryogenic detector; trapping; space-charge; dead-layer

Mots clés: détection de matière noire; WIMPs; bolomètre; détecteur cryogénique; ionisation; germanium; piégeage; charge d'espace; zone morte

Domaines: Cosmologie et astrophysique extra-galactique [astro-ph.CO]; Matière Condensée [cond-mat]

Benjamin Censier. Étude et optimisation de la voie ionisation dans
l'expérience EDELWEISS de détection directe de la
matière noire. Cosmologie et astrophysique extra-galactique [astro-ph.CO]. Université Paris Sud - Paris XI, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00109453⟩