en fr Search for dark matter with EDELWEISS-III excluding background from muon-induced neutrons Recherche de matière noire avec lexpérience EDELWEISS-III excluant le bruit de fond neutron induit par les muons Report as inadecuate




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1 IPNL - Institut de Physique Nucléaire de Lyon

Abstract : The aim of the EDELWEISS-III experiment is to detect the elastic scattering of WIMPs from the galactic dark matter halo on germanium bolometers. The most problematic background arises from neutrons, which can mimic a WIMP interaction in a detector. Neutrons are notably induced by high energy cosmic ray muons reaching the underground laboratory despite the 4800 m w.e. of rock overburdened. Remaining muons are tagged using an active muon-veto system of 46 plastic scintillator modules surrounding the experiment, which allows to reject most of the associated background. The goal of this thesis was to give a precise estimation of the irreducible muon-induced neutron background, needed to identify a potential WIMP signal. The expected background depends on the geometry of the experiment as well as on the used materials, both strongly modified since EDELWEISS-II. Geant4-based simulations of muons through the modified geometry were performed to derive the rate of events induced by muons in the bolometer array. This rate has been shown to be in good agreement with the measured one extracted from the Run308 data. In parallel, a lower limit on the muon-veto efficiency was derived using bolometer data only. A new method based on an AmBe source was developed to extract precisely the detection efficiency of individual modules from the simulation. From these results, it was shown that the expected background is negligible for the WIMP search analyses performed with the Run308 data and won-t limit the future sensitivity of the EDELWEISS-III experiment

Résumé : Le but de l-expérience EDELWEISS est la détection directe de matière noire sousforme de WIMPs, par l-étude de leur diffusion élastique sur les noyaux de germanium des détecteurs bolomètriques. Le plus problématique des bruits de fond provient des neutrons pouvant mimer l-interaction d-un WIMP dans un détecteur. Ces neutrons sont notamment produits par les rares muons cosmiques de haute énergie qui atteignent le laboratoire souterrain malgré les 4800 m w.e. de roche. Les muons résiduels sont détectés par un système veto de 46 modules de scintillateur plastique entourant l-expérience, qui permet de rejeter la plupart du bruit de fond associé. La détermination précise du bruit de fond neutron résiduel induit par ces muons dans EDELWEISS-III, essentielle pour l-identification des WIMPs, est le but de cette thèse. Le taux de bruit de fond dépend de la géométrie de l-expérience ainsi que des matériaux utilisés, qui ont subi d-importantes modifications depuis EDELWEISS-II. Des simulations GEANT4 du passage des muons dans la nouvelle géométrie ont été réalisées afin d-extraire le taux d-événements induits par les muons dans les bolomètres. Ce taux est en bon accord avec le taux mesuré extrait des données du Run308. En parallèle, une limite inférieure sur l-efficacité du veto muon a été extraite à partir des données bolomètres. Une nouvelle méthode basée sur l-utilisation d-une source d-AmBe a été développée afin d-extraire l-efficacité de chaque module de la simulation. À partir de ces résultats, il a été montré que le bruit de fond attendu est négligeable pour la recherche de WIMPs avec les données du Run308 et ne limitera pas la sensibilité future d-EDELWEISS-III

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Keywords : Data analysis Geant4 simulation Plastic scintillator Cosmic muons Direct detection Astroparticles Dark matter

Mots-clés : Analyse des données Matière noire Astroparticules Détection directe Muons cosmiques Scintillateur plastique Simulations GEANT4





Author: Cécile Kéfélian -

Source: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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