Optimization of energy resolution and radioactive background rejection ability of heat-and-ionization detectors set-up with thermometric thin layer for the direct WIMPs search.
Optimisation du pouvoir de résolution et du rejet du fond radioactif de détecteurs ionisation-chaleur équipés de couches minces thermométriques pour la détection directe de WIMPs.
Résumé
The EDELWEISS experiment aims at the direct detection of WIMPs as possible candidates for dark matter. It uses heat-and-ionization detectors that can discriminate these particles from the radioactive background. To date, this method is limited by events with incomplete charge collection that occur just beneath the detectors electrodes. In order to identify and reject these undesirable events, we have developed detectors equipped with thin films used both as thermometers – and hence sensitive to the transient athermal regime – and as electrodes for the charge collection. This thesis focuses on the optimization of such thin films regarding surface events rejection and on the modelling of the physical processes enabling this identification. The optimization must both maximize the fiducial volume and conserve an energy resolution such that the recoil energy threshold is of the order of 30 keV. Our work explores four generations of detectors each of which corresponds to successive evolutions in their conception. In all cases, the electrode-thermometer is an amorphous Anderson insulator NbSi thin film polarized by two interleaved comb-shaped niobium electrodes. In spite of constant progress in the successive detectors performances, the latest generation does not display the performances required for the EDELWEISS II experiment. Our work has shown the difficulty of the transient thermal signal modelling due to the complex contribution of the charge collection. This works has lead to new ideas regarding the detectors configuration, so that the athermal regime can be optimized to enhance both the rejection capability and the resolution.
Pour la recherche de la matière noire sous forme de WIMPs l'expérience EDELWEISS utilise des détecteurs ionisation-chaleur qui permettent de les discriminer du fond radioactif. Cette méthode est limitée par les événements à collecte incomplète de charge qui ont lieu près des électrodes. Dans le but d'identifier et rejeter ces événements, des détecteurs équipés de couches minces servant à la fois de thermomètres, sensibles au régime thermique transitoire (régime athermique), et d'électrodes de collecte sont développés. Leur optimisation en terme de rejet des événements de surface et la modélisation des processus physiques permettant cette identification font l'objet de cette thèse. L'optimisation doit conserver une résolution en énergie qui conduise à un seuil de l'ordre de 30 keV et un volume fiduciel de détecteur maximal. Ce travail explore quatre générations de détecteurs qui correspondent à des évolutions successives de leur conception. Dans tous les cas l'électrode-thermomètre est une couche mince de NbSi amorphe de type isolant d'Anderson polarisée par deux peignes interdigités en Niobium. En dépit des progrès réalisés la génération la plus aboutie ne présente pas les performances requises pour l'expérience EDELWEISS II. L'étude menée a montré la difficulté de la modélisation des signaux thermique transitoires car la collecte des charges y apporte des contributions complexes. Des pistes émergent de ce travail pour explorer de nouvelles configuration de ces détecteurs afin d'exploiter mieux le régime athermique pour améliorer le pouvoir de rejet et la résolution.