DETECTEURS CRYOGENIQUES INTERDIGITES POUR DETECTION DIRECTE DE LA MATIERE NOIRE – INTERDIGIT

Utilisés par l'expérience européenne EDELWEISS, et par l'expérience américaine CDMS, les détecteurs cryogéniques en germanium massif sont à l'heure actuelle parmi les meilleurs détecteurs pour la recherche directe de la matière noire sous la forme de particules WIMPs (pour Weakly Interacting Massive Particles). Conçus pour fonctionner à très basse température (la dizaine de mK), ces dispositif sont équipés d'un système de double détection (ionisation et chaleur), permettant la discrimination des reculs nucléaires (tels qu'attendus pour les WIMPs) et électroniques (dus au fond de rayonnement parasite beta et gamma de l'environnement). Ce procédé de discrimination se trouve toutefois limité en efficacité par un effet de zone morte, qui se traduit par une mauvaise collecte de charges pour les dépôts d'énergie en surface des détecteurs. Progresser au-delà du stade actuel implique de passer à un mode de rejet actif des événements de surface, ce qui apparaît aujourd'hui comme la condition d'une percée dans les expériences de détection directe de la matière noire.Impliquant plusieurs des membres de la collaboration EDELWEISS, ce projet a pour but de développer un nouveau type de détecteurs à même de résoudre ce problème de rejet. La solution considérée se base sur l'utilisation d'une géométrie des électrodes de collecte en forme de peignes imbriqués. Les charges collectées sur les différents peignes dépendent de la position de l'événement dans le détecteur, ce qui fonde la capacité de rejet vis-à-vis des événements de surface. Quoique simple dans son principe, l'utilisation d'un tel procédé nécessite une étude approfondie étant donné les conditions physiques particulières de fonctionnement des détecteurs (très basse température, faible champ de collecte), qui les distinguent de tout autre type de détecteur utilisé jusqu'ici. Les problèmes soulevés concernent la physique de la collecte de charges à très basse température (phénomènes de piégeage, anisotropie du transport électronique), mais aussi sur le plan pratique la définition d'une géométrie optimale des électrodes et le choix des conditions de polarisation du détecteur. Les compétences des différents partenaires autorisent une approche cohérente et coordonnée de ces différents problèmes : a) Le CSNSM-Orsay étudiera les aspects fondamentaux de la collecte de charges en s'appuyant sur des mesures résolues en temps, conjuguées à la simulations numérique des signaux d'ionisation fondée sur la modélisation physique du détecteur. Il s'attachera, en liaison avec le CEA-DAPNIA, à définir les conditions optimales d'utilisation des détecteurs. Le CRTBT-Grenoble contribuera à ces développements en apportant une électronique de lecture des signaux fondée sur un type nouveau et performant d'amplificateur bas-bruit et large-bande à contre-réaction programmable. b) Ayant en vue leur utilisation à l'issue de ce contrat, le CEA-DAPNIA prendra en charge l'étude expérimentale de dispositifs de test, en relation avec la firme industrielle qui fabrique les détecteurs d'EDELWEISS. Différentes géométries des électrodes de collecte seront étudiées, ainsi que différents procédés de passivation des surfaces (celle-ci étant réalisée par dépôt de Ge ou de Si amorphe en couche mince à la surface du germanium). En vue d'optimiser le traitement de passivation, le LGEP-Supélec effectuera la caractérisation des propriétés électroniques de surface selon leur mode de préparation (densité d'états électroniques de la sous-couche amorphe, vitesse de recombinaison de l'interface amorphe-cristal : celle-ci étant par essence un facteur important du rendement de collecte pour les événements proches des surfaces tout particulièrement).c) Dans une perspective à plus long terme, le CSNSM étudiera un mode de détection duale des événements de surface, conjuguant les capacités de localisation d'événements par la voie ionisation à celles de capteurs de phonons en film mince. Le CSNSM développe depuis plusieurs années une techni