Scintillation Cryogénique pour la Matière Sombre – SciCryo

Le problème astrophysique de la matière sombre perdure depuis près d'un siècle. La physique des particules prédit de nouvelles particules supersymétriques qui pourraient le résoudre. Les expériences les plus sensibles de détection directe du couplage cohérent de ces particules utilisent des détecteurs hybrides cryogéniques ionisation-chaleur ou scintillation-chaleur avec des noyaux cibles lourds (Ge et CaWO4) fonctionnant à 10 mK. Pour étudier un éventuel signal de matière sombre et mieux comprendre le bruit de fond neutronique, nous proposons une étude de la scintillation à basse température de matériaux à cibles légères (par exemple Al2O3 et LiF) pour des détecteurs cryogéniques scintillation-chaleur. Les résultats de ce projet pourront intéresser les futures expériences de détection directe comme EURECA, mais aussi les expériences de recherche de double-bêta et d'autres désintégrations rares. - - Ce projet de scintillation cryogénique (SciCryo), mené par P. Di Stefano, Maître de Conférence à l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon, associe des physiciens des particules (IPNL), des physiciens du solide, des cryogénistes et des astrophysiciens (Institut Max-Planck pour la Physique, Munich, Institut d'Astrophysique Spatiale, Orsay). Le volet le plus important du projet repose sur l'achat d'un cryostat optique à tube pulsé et de l'intrumentation associée (photo-diodes à avalanche, numériseurs ...). Il permettra de tester des scintillateurs entre la température ambiante et 4 K à l'IPNL. Les premiers tests se feront à travers une fenêtre optique avec l'instrumentation à température ambiante, dans une seconde étape les photo-détecteurs seront refroidis dans l'enceinte ou couplés par fibre optique. Les tests de matériaux identifiés se poursuivront sur des cryostats à dilution (10 mK) déjà en place dans les deux autres laboratoires avec leurs technologies propres (détecteurs cryogéniques Si avec thermomètres W, et Ge avec thermomètres NTD, respectivement). Les essais porteront en particulier sur la réponse des scintillateurs aux particules ionisantes (le bruit de fond radioactif dominant) et aux particules moins ionisantes (neutrons, particules recherchées). Une étude sera aussi menée sur la quantification de traces d'impuretés dans les scintillateurs dans des échantillons de diverses origines. - - Les premières études porteront sur le saphir (Al2O3), car il fournit déjà d'excellents détecteurs cryogéniques de type chaleur simple (étudiés par l'IAS et le MPP) et nous avons observé sa scintillation causée par des traces d'impuretés à température ambiante. Grâce au financement du cryostat, ce projet permettra à P. Di Stefano de mettre en place une activité expérimentale novatrice à l'IPNL, qui sera soutenue par ce laboratoire et qui bénéficiera de synergies avec les deux autres laboratoires impliqués. -