Détecteur cryogénique sensible à l'électron unique pour la recherche de la Matière Noire – CRYOSEL

CRYOSEL est le premier détecteur cryogénique proposant de combiner résolution en énergie et identification de particule pour des signaux sur toute la plage entre 1 eV et 10 keV. Ceci est réalisé en équipant une cible de germanium de 42 g, refroidie à 20 mK, de deux senseurs. Le premier est une thermistance de type Ge-NTD, collé sur l'une des surfaces du cristal, qui permet de mesurer l'élévation de température de l'ordre du millionième de Kelvin provoqué par la collision d'une particule dans le cristal. Une résolution en énergie d'une fraction de eV en amplifiant le signal thermique en soumettant le cristal à une différence de potentiel d'une centaine de volt. Le signal thermique est d'autant amplifié que les charges électriques mises en mouvement par la collision sont accélérées par ce champ électrique. Le second senseur est une piste circulaire supraconductrice en NbSi lithographiée sur la surface opposée du cristal. Longue de quelques mm, et avec une section de 10 microns par 20 nanomètres, ce film supraconducteur retourne à l'état conducteur lorsque des phonons de hautes énergie, issus de l'accélération des charges électrique en mouvement dans un très fort champ électrique de plusieurs milliers de Volt par mm. Cette concentration de champ est obtenue en utilisant le film NbSi comme une très petite électrode, opposée à une grande électrode couvrant presque tout le reste de la surface du cristal. Le senseur thermique Ge-NTD fournit une mesure précise de l'énergie totale mise en jeux dans la collision. Le senseur NbSi pour sa part ne déclencherait que si le dépôt d'énergie s'accompagne de libération de charge, et si ces charges migrent dans la zone de très fort champ immédiatement en face de ce film. Cette méthode permettrait pour la première fois de rejeter le très fort bruit de fond causé par les relâchements de stress dans le cristal et qui noie tout autre forme de signaux dans tous les détecteurs cryogéniques actuels.

CRYOSEL a réalisé un détecteur germanium cryogénique de 42 g avec une résolution capable de distinguer le nombre de charge produite dès la charge unique, et capable de rejeter les évènements non associés à la création de paires électron-trou. Il a été démontré que la plage dynamique du détecteur s’étend d’une à plusieurs milliers de charge.

Le bruit de fond du au courant de fuite à un électron dans l’ensemble du volume du détecteur est de moins de 2 atto-Ampère par gramme de germanium.

Ce résultat expérimental confirme le principe innovant de la détection de charge via un signal de phonon athermique amplifié fonctionne, et constitue la seule technique qui permet l’identification du type d’interaction produisant un dépôt d’énergie de moins d’un keV dans un détecteur cryogénique. Le comportement de ce détecteur, et la physique de la détection de phonons sur laquelle se repose sont fonctionnement, ont pu être testé en détail avec diverses sources de dépôt d’énergie : dépôt diffus dans tous le volume dû à des pulses laser de photons infrarouge, émission de rayons X très localisés dus à des désintégrations radioactives induites à l’intérieur du cristal par activation neutronique, relâchement de stress et évènements non associés à des créations de paires électron-trou.

Ces études ont été effectuées dans le contexte d’une thèse (Elsa Guy, Lyon 1) et du travail de deux Postdoc, travaillant sur des données collectées à Lyon et à Orsay. Le principe de détection de phonons athermiques avec des films NbSi et leur dépendance en la position de la source par rapport film, a quant à elle été testé grâce à des mesures effectuées au Laboratoire Souterrain de Modane par l’expérience EDELWEISS.

La réalisation d’un détecteur sensible à l’électron unique et capable d’identification des particules n’a été réalisée en temps pour effectuer une recherche de matière noire dans le cryostat ultra-bas bruit de fond radioactif BINGO au LSM avant la fin du projet. L’ANR a cependant permis d’avancer sur les études techniques nécessaires pour l’installation d’un détecteur de type CRYOSEL dans un cryostat bas-bruit, et une campagne de mesure au LSM est prévue à l’horizon 2028 dans le cadre des projets RI2 TES4DM et de la collaboration TESSERACT (voir plus loin).

Grâce à la démonstration d’une sensibilité à la charge unique dans un détecteur germanium cryogénique de 42 g, avec le rejet des évènements non associés à la libération de charges électriques, CRYOSEL a été sélectionnée comme l’une des deux technologies retenues en 2024 pour le projet TES4DM de recherche à risque innovante (RI2) du CNRS, et par la collaboration internationale TESSERACT (USA, France et Suisse), afin d’être déployée dans un cryostat ultra-bas-bruit radioactif au Laboratoire Souterrain de Modane (France) à l’horizon 2028.

Cette campagne de mesures permettra d’identifier plus finement les verrous technologiques restants pour atteindre les performances ultimes de ce type de détecteur, et à l’horizon 2030 obtenir des sensibilités record pour la détection de particules de matières noire.

Les très bas bruits de fond que permettent cette technologie pour la détection de signaux dans la plage de quelques eV au keV la place également comme un candidat idéal pour l’étude de la diffusion cohérente élastique des neutrinos de réacteur sur les noyaux. La couverture entière du spectre en énergie de recul permet en effet de tester la plus large palette possible de déviations due à des extensions possibles du Modèle Standard de la physique des particules. La collaboration internationale RICOCHET (France, USA et Canada) a inscrit la technologie CRYOSEL comme piste pour une future phase de l'expérience qu'elle mène à l'Institut Laue-Langevin (ILL) à Grenoble, en France.

L'objectif de la proposition CRYOSEL est de développer et exploiter un détecteur Ge cryogénique massif (30 g) sensible à la paire électron-trou unique, pour rechercher l'interaction de particules de matière sombre (DM) légères avec des électrons ou des noyaux. Une résolution de 0,1 paire est obtenue par amplification Luke-Neganov du signal thermique associé à la dérive des charges dans le détecteur. Le fond dû aux signaux purement thermiques est rejeté par coïncidence avec la détection d'au moins un électron dans un réseau de lignes supraconductrices couvrant une des surfaces du cristal. Le détecteur sera utilisé dans l'environnement faible radioactivité du LSM pour rechercher des signaux DM de masse 0,1 à 100 MeV/c2 induits par des électrons et des signaux DM de 0,1 à 1 GeV/c2 induits par des noyaux. Un système d'injection laser et une source de neutrons AmBe permettront l'étalonnage de la réponse aux événements de reculélectronique et nucléaire, respectivement.