Analysis of the first underground run and background studies of the Argon Dark Matter

Resumen

La Materia Oscura es un tipo de materia no luminosa cuya existencia es inferida a través de sus efectos gravitacionales a diferentes escalas en el Universo. De acuerdo con el análisis de los datos más recientes de PLANCK, la Materia Oscura da cuenta aproximadamente de un 27 por ciento de la composición del Universo, mientras que la materia ordinaria sólo representa un 5 por ciento. Por este motivo, revelar la naturaleza de la Materia Oscura se ha convertido en uno de los problemas más desafiantes de la física moderna. Una posible explicación proviene de la física de partículas en la forma de Partículas Masivas Débilmente Interactuantes (WIMPs). Supersimetría, una extensión del Modelo Estándar de partículas, proporciona candidatos a WIMPs en forma de la Partícula Supersimétrica Más Ligera (LSP), que es neutra, estable y masiva. Un gran esfuerzo experimental se ha realizado en los últimos años para detectar Materia Oscura con detectores subterráneos o espaciales o para producirla en aceleradores. Esta Tesis está centrada en el análisis de la primera toma de datos subterránea y estudios de fondo del experimento Argon Dark Matter (ArDM), cuyo objetivo es detectar WIMPs a través de los retrocesos nucleares producidos por su dispersión elástica por núcleos de argón. La colaboración ArDM está formada por dos grupos de investigación, uno perteneciente al ETH de Zurich y el otro procedente del CIEMAT, con el apoyo del CERN y del Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC), situado bajo los Pirineos en España. El detector ArDM, actualmente instalado en el LSC, es una Cámara de Proyección Temporal (TPC) de doble fase (líquido-gas) de una tonelada y es el primer detector de Materia Oscura basado en argón de la escala de la tonelada en tomar datos en un laboratorio subterráneo. El análisis de la primera toma de datos subterránea en fase pura (gaseosa y líquida) que se expone en esta Tesis incluye: evaluación de la luz producida en el detector mediante calibración con Co-57 y Kr-83, detección de contaminación radioactiva en argón natural y estudio del fondo producido por los materiales del detector debido a la presencia de isótopos radioactivos procedentes de las cadenas de desintegración del U-238 y Th-232. Asimismo, se ha desarrollado un sistema para medida del fondo de neutrones externo, procedente de las rocas y materiales del laboratorio. Por otra parte, se ha estudiado la dinámica de cargas positivas en argón líquido, excluyendo la posibilidad de que los iones tengan un impacto significativo en la operación subterránea de un detector de Materia Oscura, aunque se ha probado que el efecto sería importante para futuros detectores gigantes de neutrinos. Uno de los resultados más relevantes de la Tesis está relacionado con la discriminación de los retrocesos electrónicos producidos por la contaminación de Ar-39. Se ha estudiado la distribución de sucesos en las bandas de retroceso nuclear y retroceso electrónico, evaluando por primera vez, a la escala de la tonelada, el poder de discriminación de fondo a través del análisis de la forma de pulso de la luz de centelleo. El resultado no sólo es relevante para ArDM, sino también para otros experimentos de gases nobles que trabajen en el campo de la Materia Oscura. Además, considerando los resultados referidos al fondo de neutrones y fondo gamma, se ha desarrollado un estudio teórico para predecir la sensibilidad esperada para ArDM. Los resultados muestran la posibilidad de que ArDM pueda establecer uno de los límites de Materia Oscura más competitivos del mundo para un detector basado en argón tras unas pocas semanas de toma de datos. Esta Tesis ha sido financiada por el Ministerio de Economía y Competitividad a través de la ayuda FPA2012-30811. Varios artículos que incluyen los resultados más relevantes del análisis presentado en la Tesis están en preparación. Además, resultados relacionados con la reconstrucción de la posición han sido publicados en HAIS (LNAI 9648) 2016.