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Ver el documento (formato PDF)   Izraelevitch, Federico H..  "Búsqueda de materia oscura mediante la medición de producción de ionización por retrocesos nucleares con el detector DAMIC"  (2017-03-31)
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
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Resumen:
Desde su planteo inicial, alrededor del año 1930, el problema de la materia oscura permanece como uno de los mayores problemas abiertos en Física. Actualmente, existe un gran número de evidencias observacionales, astrofísicas y cosmológicas, que motivan la hipótesis de la existencia de una forma de materia distinta a la materia ordinaria, llamada materia oscura. A pesar del esfuerzo realizado para detectarla, su naturaleza permanece ignota. Las búsquedas por detección directa comenzaron enfocadas en extensiones supersimétricas mínimas del modelo estándar, que predicen partículas con masas de ~ 100 GeV/c². Los límites de exclusión impuestos por los experimentos de búsqueda, los nulos resultados de las búsquedas de supersimetría en el Large Hadron Collider, las afirmaciones de detección de algunas colaboraciones como DAMA, y el desarrollo de nuevos modelos de partículas de materia oscura liviana, motivó a la comunidad a buscar partículas de materia oscura con masas por debajo de los ~ 10 GeV/c². Se piensa que las partículas de materia oscura interactúan coherentemente (en forma elástica) con los núcleos produciendo retrocesos nucleares. Por consideraciones cinemáticas, cuanto menor sea la masa de la partícula de materia oscura, menor será la energía del retroceso nuclear a detectar. El experimento DAMIC, que enmarca este trabajo de tesis, utiliza sensores CCDs (Charge-Coupled Devices) de grado científico como detectores para la búsqueda de materia oscura. En su programa de R&D, entre 2011 y 2015, ha demostrado la operación de los CCDs con el umbral más bajo alcanzado por la comunidad de detección directa. Esto ha motivado el desarrollo de un detector masivo, llamado DAMIC100, que buscará materia oscura de baja masa en una zona del espacio de fases no explorada aún. En los detectores semiconductores, un retroceso nuclear deposita su energía produciendo ionización y fonones. Dado que el detector DAMIC solo es capaz de medir la señal de ionización, resulta fundamental determinar la ionización producida por los retrocesos nucleares para la interpretación de los datos adquiridos en los experimentos de búsqueda de partículas de materia oscura. En este trabajo describimos el problema de la materia oscura, detallando la evidencia experimental que motiva su hipótesis. Explicamos los métodos utilizados para su búsqueda y discutimos el estado actual de estos efuerzos. Describimos el experimento DAMIC, su principio de funcionamiento, características y el arreglo experimental utilizado en el laboratorio subterráneo SNOLAB. Discutimos la importancia de la calibración del detector mediante la medición de la ionización producida por retrocesos nucleares y revisamos los antecedentes en la literatura. Finalmente, describimos un experimento de dispersión elástica de neutrones realizado para medir la eficiencia de ionización a bajas energías, y discutimos los resultados obtenidos.

Abstract:
The dark matter problem is one of the major open questions in Physics, since its conception around 1930. Vast astrophysical and cosmological observational evidence motivates the hypothesis of the existence of a form of matter distinct to the ordinary one, called dark matter. Despite the efforts to detect it, its nature remains unknown. Direct detection searches began focused in minimal supersymmetric extensions of the standard model, predicting particles with masses of ~ 100 GeV/c². Exclusion limits of search experiments, null results of supersymmetry searches at the Large Hadron Collider, detection claims of some collaborations, and the development of low-mass dark-matter models, motivated the community to search for dark matter particles with masses below ~ 10 GeV/c². It is thought that dark matter particles interact coherently (elastically) with nuclei producing nuclear recoils. For kinematics reasons, the lighter the dark matter particle the lower the energy of the nuclear recoil. The DAMIC experiment, the framework of the present thesis, uses scientific grade Charge-Coupled Devices as detectors for the dark matter search. In the R&D phase (2012-2015) the collaboration demonstrated the operation of the CCDs with the lowest threshold achieved by the direct-detection community. This motivated the development of a massive detector, DAMIC100, that will search for low-mass dark matter particles in an unexplored phase-space region. In semiconductor detectors, a nuclear recoil deposits its energy producing ionization and phonons. The DAMIC detector is only capable to measure ionization. Thus, it is crucial to determine the ionization produced by nuclear recoils to interpret the data acquired in the dark matter search experiments. In this work we describe the dark matter problem, detailing the evidence that motivates its hypothesis. We explain the methods used for the searches and we discuss the actual state of these efforts. We describe the DAMIC experiment, its working principle, characteristics and the setup deployed in the deep underground laboratory SNOLAB. We discuss the importance of the calibration of the detector by measuring the ionization production by nuclear recoils and we review past studies found in the literature. Finally, we describe a neutron elastic-scattering experiment performed to measure the ionization efficiency of nuclear recoils at low energies and we discuss the results.

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Registro:
Título : Búsqueda de materia oscura mediante la medición de producción de ionización por retrocesos nucleares con el detector DAMIC     =    Dark matter search by means of the measurement of ionization production of nuclear recoils with the DAMIC detector
Autor : Izraelevitch, Federico H.
Director : Estrada Vigil, Juan Cruz
Consejero : Pasquini, Gabriela
Jurados : Piegaia, Ricardo  ; Arazi, Andrés  ; Asorey, Hernán
Año : 2017-03-31
Editor : Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
Filiación : Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Departamento de Física
Fermi National Accelerator Laboratory
Grado obtenido : Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Físicas
Ubicación : Preservación - http://digital.bl.fcen.uba.ar/gsdl-282/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=tesis&d=Tesis_6152_Izraelevitch
Idioma : Español
Area Temática : Física / Astrofísica
Palabras claves : MATERIA OSCURA; DAMIC; RETROCESO NUCLEAR; EFICIENCIA DE IONIZACION; DARK MATTER; DAMIC; NUCLEAR RECOIL; IONIZATION EFFICIENCY
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