Direct dark matter searches with noble liquid detectorsthe ArDM experiment

Resumen

En la actualidad, nuestro universo está constituido aproximadamente por un 5% de bariones, un 23% de materia oscura y un 72% de energía oscura. Es muy embarazoso que el 95% del universo no se conozca: de hecho la naturaleza de la materia oscura es bastante incierta, y la energía oscura es un completo misterio. La evidencia de la existencia de materia oscura es abrumadora, principalmente debido a sus efectos gravitatorios. Hoy en día hay muchos experimentos intentando descubrir cual es exactamente su naturaleza. Todos los detectores para su búsqueda directa apuntan a observar retrocesos nucleares producidos por las colisiones elásticas de partículas de materia oscura con núcleos blanco de materia ordinaria. Hay distintos métodos que se pueden utilizar para detectar retrocesos nucleares. Estos incluyen: colección de ionización, centelleo o datos de deposición de energía térmica. Los detectores que combinan al menos dos de estas técnicas tienen el mejor potencial para detectar las partículas desconocidas, ya que han optimizado sus capacidades para rechazar los fondos, proporcionando por consiguiente los mejores límites. Los retrocesos nucleares que se deben observar están en el rango de energías de 1 - 100 keV. Por lo tanto, es vital la utilización de detectores masivos con bajos umbrales de detección de energía y gran capacidad de discriminación de fondos. En este marco, los detectores de gases nobles licuados son dispositivos prometedores para búsquedas de materia oscura. El trabajo que se presenta en esta Tesis trata el potencial y versatilidad de detectores masivos, que utilizan gases nobles como medio sensible, para hacer contribuciones destacadas en búsquedas directas de materia oscura. Nos concentraremos en las prestaciones del experimento ArDM así como en el estudio de las posibles fuentes de fondos. Primero presentamos lo que se conoce actualmente sobre materia oscura, centrándonos en los experimentos de búsqueda directa. Poniendo especial atención a las Cámaras de Proyección Temporal de Argón Líquido (LAr TPCs, por sus siglas en inglés). Después nos centramos en el experimento ArDM: su principio de operación, y todos los componentes que conforman los sistemas de lectura de carga y luz. Se ofrece una descripción de la detallada simulación Monte Carlo del conjunto del experimento. Además, se muestra el buen acuerdo que hay entre la simulación y las medidas experimentales realizadas en la primera operación en superficie del prototipo del detector ArDM. Se revisa el sistema de control de las condiciones de operación del experimento ArDM. Describimos en detalle cada componente del sistema: sensores de temperatura, nivel y presión, su calibración y la precisión obtenida en los tests experimentales. A continuación nos concentramos completamente en las prestaciones físicas del detector ArDM. Estudiamos la capacidad de rechazo frente a posibles fuentes de fondos. En particular estudiamos la contaminación debida al isótopo intrínseco 39Ar y fondos de neutrones. También valoramos la física que ofrece un dispositivo experimental distinto. En concreto, se exploran las prestaciones de un detector modular que funciona al mismo tiempo que un blanco que actúa como veto activo, compuesto de agua dopada con gadolinio. Prestamos especial atención a la identificación y medida precisa del fondo generado por neutrones. Por último, mostramos que este tipo de detector masivo, basado en gases nobles licuados, tiene también un inmenso potencial en experimentos que intentan medir reacciones no detectadas hasta ahora en física de neutrinos. En particular, estudiamos la posibilidad de observar la colisión elástica coherente neutrino-nucleón con un haz proveniente de emisores beta a baja energía.