Première recherche de matière noire avec un détecteur argon multi-tonnes – FIDAR

L’existence de la matière noire est une des principales énigmes de la physique fondamentale. Un des candidats matière noire les mieux motivés est une particule avec une masse entre 1 GeV et 10 TeV interagissant très faiblement, appelée WIMP. Depuis dix ans, la technologie basée sur les chambres à projection temporelle (TPC) double phase remplies de liquide noble domine la recherche de WIMP. DarkSide-20k, prochaine génération de TPC à argon liquide, sera la plus grande jamais construite, avec une cible de 50 tonnes d’argon liquide (LAr) purifié et 200000 photomultiplicateurs au silicium (SiPM). L’utilisation de ces deux atouts permettra de profiter au mieux de la discrimination entre la forme des signaux de scintillation générés par les WIMPs et par les électrons/photons. Comme cela a été prouvé par les expériences de première génération, cette discrimination est si grande que ce bruit de fond peut être complètement supprimé. Associé à des vétos très efficaces sur les muons et les neutrons, DarkSide-20k prévoit de mener une recherche de WIMPs de grande masse sans bruit de fond instrumental (< 0.1 évènement pour 200 tonnes.an en excluant les interactions avec les neutrinos). Pour cela, DarkSide-20k utilise tous les développements menés depuis dix ans avec les premières générations de TPC à argon liquide. Les concepts fondamentaux de l’expérience sont donc bien établis et les deux principaux défis viennent de la mise à l’échelle des technologies à des plus grandes dimensions et de l’utilisation des SiPMs à la place des photomultiplicateurs standard utilisés par les premières générations d’expérience à l’argon liquide. La construction de DarkSide-20k a commencé au laboratoire souterrain du Gran Sasso et la prise de données est prévue pour 2027. Le but du projet FIDAR est de mener une recherche de WIMP de haute masse sans bruit de fond instrumental, avec le premier mois de données de DarkSide-20k pour obtenir une sensibilité meilleure que celles des TPCs à argon liquide existantes. La capacité à supprimer le bruit de fond dans une si grande TPC dépend fortement de la reconstruction des évènements, ce qui renforce la nécessité d’une exploitation optimale du potentiel des SiPMs et de l’usage des techniques modernes d’intelligence artificielle pour la reconstruction comme proposé dans ce projet. La reconstruction des évènements et l’analyse de données repose aussi sur la calibration du détecteur. Dans DarkSide-20k, l’APC supervise la partie simulation et reconstruction des données et le CPPM est responsable de la construction du système de calibration de la TPC. FIDAR a pour but de renforcer la collaboration existante entre l’APC et le CPPM, déjà bien établie sur l’analyse de données de DarkSide-50 (première génération de TPC à argon liquide) qui a conduit aux meilleures limites mondiales pour la recherche de WIMP de basse masse en 2022. Pour ce faire, nous envisageons d’installer et d’exploiter le système de calibration de DarkSide-20k pour valider la reconstruction des évènements, mesurer l’échelle d’énergie du bruit de fond et du signal et ainsi être prêt pour l’analyse des données du premier mois en utilisant un cadre d’analyse testé avec des simulations réalistes. Financer le projet FIDAR permettra de renforcer les équipes françaises avec de nouveaux étudiants à un moment critique pour l’installation et la prise de données de DarkSide-20k.