1 / 64

Etude et optimisation de la voie ionisation dans l’expérience EDELWEISS

Etude et optimisation de la voie ionisation dans l’expérience EDELWEISS. Université. Financement. Laboratoire d’accueil. Benjamin Censier Responsable de thèse: Alexandre Broniatowski. IPN Orsay, 15 Février 2006. Matière noire ?. M C >M L.

thelma
Download Presentation

Etude et optimisation de la voie ionisation dans l’expérience EDELWEISS

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Etude et optimisation de la voie ionisation dans l’expérience EDELWEISS Université Financement Laboratoire d’accueil Benjamin Censier Responsable de thèse: Alexandre Broniatowski IPN Orsay, 15 Février 2006

  2. Matière noire ? MC>ML • ML: Masse estimée via relations masse/luminosité • Étoiles dans le visible, amas de galaxies dans les X.. • MC: Masse estimée via la cinématique observée • Vitesse de rotation des galaxies, Théorème du viriel appliqué aux amas.. • + Fond diffus cosmologique • 5% matière «lumineuse» • 25% matière «noire» • 70% énergie «noire» (Supernovae Ia) • + Nucléosynthèse primordiale • La matière noire est essentiellement non-baryonique • Hypothèse WIMPs: Weakly Interactive Massive Particles F. Zwicky

  3. Halo galactique • Courbe de rotation des galaxies • Plate jusqu’aux limites observationnelles • Force centrifuge trop grande • Effet systématique • Modèle de halo • Halo de WIMPs • Supposé sphérique, gaz parfait isotherme • 1/r², M(<r) r, v(r)=cte sauf près du centre • distribution Maxwellienne • locale=0.3-0.5 GeV/cm3 • vRMS = 230 50 km/s • Vesc 650km/s Halo Galaxie Vous êtes ici 50kpc 500kpc

  4. Méthodes de détection directe Ge EDELWEISS (Fr/All) CDMS (US) Ge, Si IGEX(US/Russ) HDMS(All/Russ) Liquid Xe Al2O3,LiF ZEPLIN (GB) XENON (US) XMASS (Jap) CaWO4, BGO NaI, Xe CRESST(Ger) Rosebud(Esp/Fr) DAMA (Italie) WIMP Ionisation ≈ 20 % absorbeur Chaleur ≈ 100% ≈ quelques % Luminescence

  5. Contraintes de la détection directe • Diffusion élastique des WIMPs sur des noyaux cibles • Energie déposée: de l’ordre de 10 keV • Evènements rares (<0.1 /kg/jour) • Laboratoire souterrain + Blindage • Basse radioactivité • Masse exposée • Mesure stable sur temps longs (>année) • Signature expérimentale • Modulation annuelle, journalière • Comparaison entre absorbeurs • Discrimination du fond événement par évènement Maîtriser le fond

  6. Détecteurs EDELWEISS Détecteurs 320g Ge ultra-pur Voie ionisation « Centre » Voie ionisation « garde » electrons Ge monocristallin E Voie chaleur Particule incidente Thermomètre NTD trous • Ionisation: quelques milliers de charges collectées en quelques centaines de nanosecondes • électrodes Al + sous couche amorphe • Chaleur: quelques µK en quelques ms • Neutron Transmutation Doped thermistor (NTD)

  7. Discrimination événement par évènement Calibration: gammas seuls Gammas, electrons Reculs électroniques Neutrons, WIMPs Reculs nucléaires Calibration: neutrons+gammas Q 73Ge(n,n’,) Seuil ionisation • Rapport ionisation/chaleur différent pour reculs nucléaires et électroniques • Rejet de plus de 99.9% des reculs électroniques pour Erecul>15keV

  8. Où en est-on ? Fin première génération (-n >10-6pb ): • 0.1 évènements/kg/jour pour détecteurs cryogéniques • Début d’exploration des modèles supersymétriques CDMS, CRESSTEDELWEISS-I present (~0.1 event/kg/day) Début deuxième génération (-n >10-8pb ): • But: amélioration d’un facteur 100 • Cœur de l’espace des paramètres Troisième génération (-n >10-10pb ): • 1 tonne de détecteur • Quelques évènements/t/an ! CDMS-II, CRESST-II, EDELWEISS-II,XENON, XMASS sensitivity goals (~a few events/ton/day) 1 Ton sensitivity goal (optimistic) (~a few events/ton/year) L. Rozkowski et al., hep-ph/0208069

  9. Les leçons d’EDELWEISS-I EDELWEISS-I: 2 limitations principales: EDELWEISS-II: 2 améliorations principales: • Amélioration blindage + veto muons • Identification des évènements proches des électrodes • Fond neutrons (1 coïncidence n-n sur 62 kg.jour) • Evènements proches des électrodes mal collectés

  10. Les leçons d’EDELWEISS-I Données EDELWEISS-I, run de fond

  11. Évènements mal collectés proches des électrodes Run de fondavecet sans coïncidences Calibration gamma • Méthode passive: sous-couches amorphes (Ge ou Si hydrogéné) • Méthode active: localisation des évènements dans le détecteur identifier ces évènements améliorer notre compréhension de la collecte de charges « Final results of EDELWEISS-I » V. Sanglard et al. (2005)

  12. Identification des évènements proches des électrodes 10 8 6 Signal (mV) 4 2 0 -800 -400 0 400 800 Time (ns) Tirer le maximum d’informations de chaque évènement • Voie chaleur: • Mesure des phonons athermiques (Couches minces NbSi) • R&D Voie ionisation: • Mesures résolues en temps des signaux ionisation • Simulation du transport et des signaux associés Broniatowski et al., 2001  event 122keV Experimental signal Holes collected Best fit by simulation Induced charge(A.U) Electrons collected • Travail de thèse: Utilisation conjointedes expériences et des simulations pour étudier la physique de la mesure d’ionisation Time (ns)

  13. Physique de la mesure d’ionisation Spécificités: • Très basses températures (20mK) • Faibles champs de collecte (V/cm) • 1ère conséquence: Régime non-ohmique • Porteurs «chauds» hors équilibre thermique (Te>Tabsorbeur) • Vitesse proportionnelle au champ électrique Mesure des lois de vitesse électrons à 8K (Jacoboni et al., 1981)

  14. Physique de la mesure d’ionisation e-réémis e- Bande de conduction • 2ème conséquence: Accumulation charge piégée • Faible densité de pièges (1010/cm3, sauf surfaces...) • Mais faible champ de collecte • Et réémission négligeable • Constitution progressive d’une charge d’espace • Contre-champ induit suffisant pour perturber le champ appliqué (105 charges/cm31 V/cm) Energie e-piégé 0.7eV 0.01eV Bande de valence (kT10-6eV)

  15. Régénération, dégradation 2 questions liées: • Quelle est l’efficacité de la méthode de neutralisation des pièges ?  étude de la régénération du détecteur • Quelle est l’influence du piégeage sur la qualité de la collecte ?  étude de la dégradation du détecteur 3 expériences: • Distribution de charge et dégradation due au piégeage en surface • Caractérisation du piégeage en volume dans l’état régénéré • Distribution de charge et dégradation due au piégeage en volume 2 outils: • Utilisation croisée des simulations et des mesures résolues en temps • Amplitude des signaux ionisation: géométrie des lignes de champs • Temps de montée des signaux: valeur moyenne du champ électrique

  16. Simulation du transport & Synthèse des signaux ionisation • Calcul du champ électrique • Géométrie du détecteur + tension appliquée • Charge d’espace • Interaction coulombienne entre porteurs + Lois de vitesse • Mesures à 8K (Jacoboni et al., 1981) • Trajectoires des porteurs • Théorème de Ramo • Signaux induits sur les électrodes électrons trous Simulation  122 keV 50 paquets de charge Voie centre Voie garde

  17. Dispositifs expérimentaux • Cryogénie: cryostat à dilution 3He/4He, T20mK • Électronique: amplificateur de charge bas bruit • Temps de montée 10%-90% de l’ordre de 100 ns • Détecteurs: Au laboratoire souterrain de Modane À Orsay

  18. I - Dégradation due au piégeage en surface

  19. Piégeage en surface • Surfaces libres: densité de pièges > 1011/cm2 • Mise à profit des détecteurs tests (grandes surfaces libres) • Méthode de création/caractérisation de charge surfacique • dégradation contrôlée du détecteur • 3 étapes: • Irradiation gamma 22Na + acheminement des porteurs aux surfaces • Collecte des gammas 57Co sous l’effet de la charge piégée • Modélisation/simulation Tension centre signal centre Tension garde 57Co signal garde 1cm 1cm 1 cm 1cm Tension référence Boîtier Cu doré

  20. Polarisation du détecteur Toutes les électrodes à la même tension + boîtier à la masse  toutes les lignes de champs passent par une surface libre -6V Boîtier Cu -6V

  21. Etape I – Dégradation Porteurs amenés aux surfaces libres Irradiation gamma par source 22Na  génération de porteurs, conduits aux surfaces (trous ou électrons suivant le signe de la tension) -6V  ~500 keV 22Na -6V

  22. Suivi de la dégradation Etat stationnaire dégradé Amplitude centre (V) vs. Temps (s) Le rendement de collecte diminue Temps de montée garde (ns) vs. Temps (s) La collecte se ralentit • Dans l’état dégradé stationnaire, champ électrique faible • Le contre-champ induit par la charge piégée s’oppose au champ appliqué

  23. Etape II - Sondage de l’état dégradé 57Co  122 keV Électrodes à la masse, source 22Na éloignée  seul subsiste le champ induit par la charge surfacique Charge surfacique négative

  24. Scatter-plot amplitude centre vs. amplitude garde Run 57Co Détecteur régénéré Toutes les électrodes à V<0 Run 57Co Surfaces chargées négativement Toutes les électrodes à la masse

  25. Etape III - Modélisation État dégradé stationnaire Charge surfacique négative Détecteur équipotentiel Métallisation des surfaces Portées à –6V Détecteur équipotentiel -6V -6V Charge surfacique négative  Eint=0 Eint=0 Eext Eext -6V

  26. Distribution de charge calculée Distribution de charge surfacique annulant le champ appliqué lorsque toutes les électrodes sont à –6V Charge surfacique (107e-/cm²)

  27. Scatter-plot simulé • Scatter-plot experimental : détecteur dégradé sous –6V électrodes à la masse • Scatter-plot simulé: électrodes à la masse+ charge surfacique calculée + diffusion compton

  28. Identification des populations Division des charges centre/garde e- collectés par l’électrode garde e- collectés par l’électrode centre Division des charges réf/centre e- collectés par l’électrode référence

  29. En résumé • Méthodologie: • Validation de la méthode de création/sondage de charge d’espace • Résultats: • Mise en évidence piégeage en surface • Influence d’une charge surfacique sur la collecte

  30. II - Etude du piégeage en volume dans l’état régénéré

  31. Principe de l’étude Tension de collecte • Détecteurs EDELWEISS • Mesure des longueurs de piégeage : • Déterminées par mesure du rendement de collecte • Position en énergie de la raie 122keV (amplitudes des signaux) • Déterminées par étude de la corrélation rendement de collecte/ position dans le détecteur • Corrélation amplitude/ temps de montée des signaux 122 keV 57Co position A h: trous  e: électrons Ni: densité de pièges de type i i: section efficace de piégeage 57Co position B

  32. Spectre ionisation en fonction de la tension de collecte Raie  122 keV Raie  136 keV • Rendement de collecte diminue à basse tension • Dégradation de la résolution à basse tension

  33. Rendement de collecte en fonction de la tension de collecte Mesures de rendement de collecte, calibrées par rapport à +4V V>0 V<0 57Co 57Co   h+ e- Tension de collecte négative: les électrons parcourent l’essentiel du détecteur Tension de collecte positive: les trous parcourent l’essentiel du détecteur

  34. Rendement de collecte et longueurs de piégeage (d=2 cm) Modèle 1D: h e • Asymétrie par rapport au signe de la tension et aux 2 positions de sources • piégeage plus efficace des électrons

  35. Corrélation rendement de collecte/temps de montée -1V +1V 57Co position A   e- h+ Raie 122keV +1V Raie 122keV –1V Contribue à la dégradation de la résolution en énergie à basse tension Raie 136 keV

  36. Modélisation 1D: rendement de collecte vs. position z V z e- h+

  37. Modélisation 1D: temps de collecte vs. position z (T=20mK, E=0.5 V/cm)

  38. Modélisation 1D: temps de collecte vs. rendement Rendement vs. z Temps de collecte vs. z

  39. Comparaison qualitative aux expériences Modèle 1D e=21cm, h=71cm +1V, position A -1V, position A (valeurs déterminées par mesure du rendement de collecte)

  40. Détermination de  • Ajustement du modèle 1D rendement=f(z) aux données expérimentales • Détermination de e eth • Utilisation des données de localisation par la voie ionisation • Disponibles pour une tension de collecte de 1V

  41. Détermination de  Compatible avec mesures de rendement de collecte: e=214 cm h=71  50 cm

  42. Résumé des mesures Mesuré par rendement de collecte Mesuré par ajustement sur la corrélation rendement de collecte/position

  43. Nature des pièges ? • Peu de données sur le contenu en impuretés: • Dopage net: |Na-Nd|qques109/cm3 • Na, Nd de l’ordre de 1010/cm3 • Données de la littérature: • Peu de données sections efficaces à très basse température • Données disponibles: porteurs thermalisés Bande de conduction e- Niveaux donneurs, densité Nd Niveaux accepteurs, densité Na h+ Bande de valence

  44. Sections efficaces de piégeage sur impuretés ionisées Section efficace de piégeage des trous sur accepteurs ionisés - 1/T3 Section efficace (cm²) (Abakumov, 1991) Température (K)

  45. Sections efficaces de piégeage sur impuretés neutres 1/T2 neutre<< ionisé (3 à 4 ordres de grandeurs) Trous sur donneurs neutres Section efficace (cm²) Électrons sur accepteurs neutres (Abakumov, 1991) Température (K)

  46. Nature des pièges •  de  10 cm à 100cm, =1/(N): • Avec N=1010/cm3,  de 10-11 à 10-12 cm² • ionisé(T)  T  3 à 10 K, cohérent avec 5 à 25K • Si piégeage sur impuretés neutres: • neutre  10-15cm2  N  1013 à 1014/cm3 • Proportion significative des impuretés dopantes ionisée

  47. Etat de charge du détecteur + + + + + + - - Bande de conduction Bande de conduction + + + + + + + + + + + + donneur ionisé donneur neutre - accepteur ionisé accepteur neutre - - - - - - - - - - - Bande de valence Bande de valence Après régénération incomplète Après mise en froid

  48. Etat de charge du détecteur + + + - + - - + + - + + - - + • Neutralité électrique globale • Champ électrique local + - - + - - + + +

  49. En résumé • Méthodologie • Exploitation des mesures résolues en temps • Résultats: • Asymétrie trous/électrons • Longueurs de piégeage  impuretés dopantes chargées

  50. III – Dégradation due au piégeage en volume

More Related