Date : 2022
Type : Livre / Book
Type : Thèse / ThesisLangue / Language : anglais / English
Classification Dewey : 539.76
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Résumé / Abstract : Depuis plus d'un siècle, les astronomes ont procédé à un inventaire minutieux de la matière dans l'Univers. La comparaison de la masse visible avec la matière déduite des calculs dynamiques (faites à l'aide des courbes de vitesse de rotation des étoiles dans les galaxies, les mouvements des paires de galaxies et le comportement des galaxies dans les amas et superamas) révèle que la nature d'au moins les trois quarts de la matière de l'Univers nous est totalement inconnue. Cette composante énigmatique de la matière dans l'Univers a pris le nom de matière noire. Bien qu'à ce jour, aucune particule non baryonique exotique et stable n'ait été détectée, selon le modèle standard, les abondances d'éléments déterminées à partir de l'ère de la nucléosynthèse suggèrent que la matière noire ne peut pas être entièrement baryonique. Ainsi, la matière noire pourrait être constituée d'une ou plusieurs nouvelles particules, censées être électriquement neutres, non colorées, à faible interaction et stables. Étant donné que le modèle standard de la physique de particules ne parvient pas à fournir un candidat de matière noire, il est nécessaire d'envisager des scénarios au-delà du modèle standard, qui peuvent également avoir une large phénoménologie liée à d'autres problèmes en physique des particules. Les nouveaux scénarios de physique reposent généralement sur de nouvelles symétries brisées aux hautes énergies ou aux dimensions supplémentaires. À ce titre, ils peuvent impacter les propriétés de l'Univers primordial, soit par la présence de nouvelles particules dans le bain thermal primordial, soit via des transitions de phase. La recherche de particules de matière noire avec des masses inférieures au GeV représente une nouvelle frontière expérimentale importante et qui fait l'objet d'une attention accrue ces dernières années. Contrairement aux modèles de recherches traditionnelles par détection directe, qui recherchent des particules de matière noire se diffusant élastiquement avec des noyaux, la recherche de matière noire inférieure au GeV se base sur la mesure d'un ou de quelques électrons ionisés à la suite d'interaction de particules de matière noire avec les électrons dans le détecteur. XENON est un projet de recherche directe de matière noire situé dans le laboratoire souterrain italien, LNGS. La génération précédente du détecteur XENON, XENON1T, a atteint une exposition de 1 ton*an, fixant les limites les plus strictes sur la section efficace de diffusion indépendante du spin des particules WIMP sur les nucléons pour presque toute la gamme de masse de WIMP supérieures à 120 MeV. Le détecteur multitonne XENONnT est la prochaine étape dans l'évolution du projet XENON. Le détecteur consiste en une chambre à projection temporelle (TPC) à deux phases avec région active du TPC contient 5,9 tonnes de Xénon liquide (LXe).Cette thèse vise à rechercher la détection directe de la matière noire sub- GeV via la diffusion des électrons de l’atome de Xénon au sein du détecteur XENONnT. Les modèles considérés correspondent à la diffusion matière noireélectron, dans laquelle un fermion ou un boson scalaire candidat à la matière noire diffuse sur un électron lié dans un atome de Xénon, ou un pseudo-scalaire, comme les particules de type axion, ou photons noirs, par absorption par des atomes de Xénon. Une telle étude phénoménologique contribue à résoudre le problème de basse énergie des détecteurs tels que XENON, LUX, PANDA-X ou DarkSide. En permettant l’accès à un nouvel espace paramétrique encore inaccessible pour ce genre de détecteur, qui sont contraints de sonder la matière noire dans des régions de masses élevées où la composante de matière noire semble être sous-dominante.
Résumé / Abstract : For more than a century, astronomers have carried out a meticulous inventory of matter in the Universe. The comparison of the visible mass with the matter deduced from the dynamical calculations (made using the rotation curves of the velocity of the stars in the galaxies, the movements of pairs of galaxies, and the behavior of galaxies in clusters and superclusters) reveals that the nature of at least three-quarters of the matter in the Universe is unknown to us. This enigmatic matter component in the Universe has taken the name of dark matter. Although no exotic and stable non-baryonic particles have been detected to date, according to the Standard Model, element abundances determined from the era of nucleosynthesis suggest that dark matter cannot be fully baryonic. Thus, dark matter could consist of one or more new particles, believed to be electrically neutral, uncolored, weakly interacting, and stable. Since the Standard Model of particle physics fails to provide a dark matter candidate, it is necessary to consider scenarios beyond the Standard Model, which may also have broad phenomenology related to other particle physics issues. New physics scenarios usually rely on new broken symmetries at high energies or extra dimensions. As such, they can impact the properties of the primordial Universe, either by the presence of new particles in the primordial thermal bath or via phase transitions. The search for dark matter particles with sub-GeV masses represents an essential new experimental frontier recently receiving increased attention. Unlike traditional direct detection search models, which search for elastically scattering dark matter particles with nuclei, the search for sub-GeV dark matter is based on the measurement of one or a few ionized electrons as a result of the interaction of dark matter particles with electrons in the detector. XENON is a direct search project for dark matter located in the Italian underground laboratory, LNGS. The previous generation of the XENON detector, XENON1T, achieved an exposure of 1 ton*year, setting the most stringent limits on the spin-independent WIMP-nucleons scattering cross-section for nearly the entire mass range for WIMPs with a mass greater than 120 MeV. The XENONnT multi-ton detector is the next step in the evolution of the XENON project. The detector consists of a two-phase time projection chamber (TPC), with the active region of the TPC containing 5.9 tons of liquid Xenon (LXe). This thesis aims to search for direct detection of sub-GeV dark matter via diffusion of electrons from the Xenon atom within the XENONnT detector. The models considered correspond to the DM-electron scattering, in which a fermion or scalar boson dark matter candidate scatters off an electron bound in a Xenon atom, and the pseudo-scalar dark matter, such as axion-like particles, or dark photons, through absorption by Xenon atoms. Such a phenomenological study contributes to solving the low-energy problem of detectors such as XENON, LUX, PANDA-X, or DarkSide. By allowing access to a new parametric space still inaccessible for this kind of detector, which is forced to probe dark matter in regions of high masses where the dark matter component seems to be subdominant.