Topic description
La nature de la matière noire (MN), qui représente 85 % de la masse totale de l'Univers, demeure l'une des énigmes les plus fascinantes de la physique actuelle. Les Laboratoires Souterrains (LS), où les expériences peuvent être protégées du rayonnement cosmique par une couche de roche d'au moins 1 mètres, constituent des sites privilégiés pour la recherche de cette MN. Les LS offrent l'environnement à faible bruit de fond nécessaire à la recherche en astroparticules et en physique fondamentale pour l'exploration des événements rares. Afin de soutenir cette recherche, le consortium NEXUS, fruit d'un programme Horizon Europe a été créé. Ce projet de quatre ans a débuté en janvier et vise principalement à fournir un environnement dynamique propice aux avancées en matière de détecteurs ultrasensibles et de techniques à très faible rayonnement, afin de stimuler l'innovation dans la recherche mondiale d'événements rares et le développement technologique de pointe au bénéfice de la société et de l'industrie [2,3]. La collaboration entre les scientifiques européens et les laboratoires de recherche les plus prestigieux du globe permettra de relever des défis expérimentaux et théoriques exceptionnels et de fournir les outils et les méthodes nécessaires à l'amélioration des techniques de détection caractérisant le bruit de fond des hautes énergies. Les neutrons constituent l'une des principales sources de bruit de fond et nécessitent un contrôle et une compréhension rigoureux. Les neutrons rapides produisent les mêmes signaux de recul nucléaire que ceux recherchés pour la détection directe de la matière noire dans les laboratoires souterrains. Les neutrons thermiques, par capture radiative, produisent des rayons gamma, générant des électrons dans tous les matériaux utilisés pour la construction des détecteurs, et permettant ainsi la recherche d'événements rares. La principale source de neutrons dans un laboratoire souterrain est constituée par les réactions nucléaires (α, n) produites dans la roche des parois du laboratoire. Les particules α sont principalement produites par les chaînes de désintégration de l'uranium, notamment la chaîne du radon-. La caractérisation spectrale et du flux de neutrons dans un laboratoire souterrain est l'une des mesures les plus importantes à réaliser pour comprendre le bruit de fond de tout détecteur d'événements rares installé dans un tel laboratoire. La tâche proposée consiste à réaliser une caractérisation neutronique des laboratoires souterrains en collaboration avec les partenaires du consortium NEXUS. Le LPSC a développé un spectromètre à neutrons directionnel, un détecteur de flux neutronique et d'autres détecteurs complémentaires, également développés au LPSC, capables de caractériser les neutrons rapides et thermiques du LS. Cette caractérisation sera réalisée entre autres en Afrique du Sud (tunnel Huguenot et futur site PAUL), à SNOLAB (CA), au CJPL (CN) etc. Un doctorant sud-africain est d'ores et déjà impliqué dans une expérience de ce type au LSM (Modane, FR). L'objectif principal de ce projet de thèse est d'exploiter la stratégie directionnelle, fondée sur le mouvement relatif de notre système solaire par rapport au centre galactique, afin de distinguer le signal du bruit de fond dû à la radioactivité intrinsèque et aux neutrons issus des réactions nucléaires (α, n) des roches, en se basant sur la directionnalité grâce à un détecteur développé au LPSC. Celui-ci (MIcro-tpc MAtrix of Chambers) permet l'utilisation d'une signature nouvelle, unique et essentielle – la directionnalité – pour corréler le mouvement relatif de notre système solaire autour du centre galactique avec les rares événements détectés dans le détecteur, dans une gamme d'énergie allant de quelques keV [1] à MeV.
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The nature of dark matter (DM), which makes up 85% of the total mass of the Universe, remains one of the most fascinating enigmas in modern physics. Underground Laboratories (ULs), where experiments can be shielded from cosmic radiation by a layer of rock at least 1, meters thick, are prime locations for DM research. ULs provide the low-background environment necessary for astroparticle and fundamental physics research to explore rare events. To support this research, the NEXUS consortium, a Horizon Europe program, was established. This four-year project, which began in January, aims primarily to provide a dynamic environment conducive to advances in ultrasensitive detectors and very low-radiation techniques, thereby stimulating innovation in global rare-event research and cutting-edge technological development for the benefit of society and industry [2,3]. Collaboration between European scientists and the world's most prestigious research laboratories will make it possible to overcome exceptional experimental and theoretical challenges and provide the tools and methods necessary to improve detection techniques for high-energy background noise. Neutrons are one of the main sources of background noise and require rigorous control and understanding. Fast neutrons produce the same nuclear recoil signals sought for the direct detection of dark matter in underground laboratories. Thermal neutrons, through radiative capture, produce gamma rays, generating electrons in all the materials used to construct detectors, thus enabling the search for rare events. The main source of neutrons in an underground laboratory consists of (α, n) nuclear reactions produced in the rock of the laboratory walls. Alpha particles are primarily produced by uranium decay chains, notably the radon- chain. Spectral and neutron flux characterization in an underground laboratory is one of the most important measurements to perform to understand the background noise of any rare event detector installed in such a laboratory. The proposed task is to perform a neutron characterization of underground laboratories in collaboration with the partners of the NEXUS consortium. The LPSC has developed a directional neutron spectrometer, a neutron flux detector, and other complementary detectors, also developed at the LPSC, capable of characterizing fast and thermal neutrons from the UL. This characterization will be carried out, among other locations, in South Africa (Huguenot Tunnel and future PAUL site), at SNOLAB (CA), at CJPL (CN), etc. A South African PhD student is already involved in a similar experiment at LSM (Modane, FR). The main objective of this PhD project is to exploit the directional strategy, based on the relative motion of our solar system with respect to the galactic center, in order to distinguish the signal from background noise due to intrinsic radioactivity and neutrons from nuclear reactions (α, n) in rocks, using directionality with a detector developed at the LPSC. This one, MIcro-tpc MAtrix of Chambers, allows the use of a new, unique and essential signature – directionality – to correlate the relative motion of our solar system around the galactic center with the rare events detected in the detector, in an energy range from a few keV [1] to MeV.
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Début de la thèse : 01/10/
WEB :
Funding category
Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
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