Estudio de la radiopureza del argón subterráneo para DarkSide-20k e I+D+i en detectores basados en gases nobles para investigaciones de eventos raros

Resumen

Hay evidencias significativas que sugieren que la materia ordinaria compuesta por bariones y leptones, representa solo el 5% del contenido de energía-materia del Universo. Para dar cuenta de toda la densidad de energía-materia y explicar las observaciones astrofísicas a escala cosmológica es necesario incluir dos nuevos componentes. La primera es un nuevo tipo de materia, no luminosa y que no sufre colisiones, llamada materia oscura, cuyas interacciones con la materia ordinaria son principalmente a través de la fuerza gravitatoria. La segunda es una componente uniformemente distribuida llamada energía oscura, que se le atribuye ser responsable de la expansión acelerada del Universo. Según los últimos datos del satélite PLANCK, la energía oscura representa el 69% del contenido de nuestro Universo y la materia oscura el 27%. La naturaleza de la materia oscura y la energía oscura es uno de los problemas más relevantes en la física actual. Aunque hay diferentes explicaciones posibles para el origen de la materia oscura, una hipótesis muy atractiva proviene de la física de las partículas en forma de reliquias térmicas producidas durante el Big Bang, que se desacoplan de forma natural, con la abundancia adecuada y están presentes actualmente en los halos que rodean a las galaxias. Se trata de las llamadas partículas masivas débilmente interactuantes (WIMPs), que no tienen carga electromagnética y sólo interactúan a través de la fuerza débil o gravitatoria. Durante los últimos años, diferentes experimentos han tratado de detectar esta hipotética partícula, estableciendo límites más bajos para la sección eficaz y rechazando varias hipótesis propuestas. Esta tesis se ha realizado dentro del experimento DarkSide-20K, una cámara de proyección temporal con un volumen de detección de 50 toneladas de argón líquido, cuyo objetivo es alcanzar los mejores límites de sensibilidad para las búsquedas independientes de spin en el rango de masas para los WIMPs de 10 GeV a 100 TeV durante la próxima década. Una de las claves para obtener estos desafiantes resultados es el uso de argón subterráneo (UAr), que presenta unos niveles del isótopo 39Ar (0.73 mBq/kg) mucho menores al argón atmosférico (1 Bq/kg). Un punto crucial es la caracterización de las distintas remesas de argón que serán utilizadas para llenar DarkSide-20K. Un novedoso detector llamado DArT medirá pequeñas muestras de UAr (aproximadamente 1~L) en cortos periodos de tiempo (pocos días) con un error menor al 10%. El número de eventos de señal esperado es muy pequeño y es necesario reducir el número de eventos de fondo dramáticamente. DArT será instalado dentro de Argón Dark Matter (ArDM), un volumen de 1 tonelada de argón líquido, que actuará como veto activo y al mismo tiempo proporcionará las condiciones criogénicas necesarias para el experimento. DArT será instalado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC) en verano de 2021. El trabajo principal de esta tesis ha consistido en la optimización del diseño de DArT con el objetivo de alcanzar la sensibilidad más alta posible dentro de las especificaciones requeridas por DarkSide-20K. Los resultados principales de este trabajo han sido la base del DArT in ArDM Technical Design Report presentado y aprobado por el comité científico del LSC en 2019. Además se presentan los primeros resultados obtenidos de la caracterización del detector en superficie. Aparte del trabajo realizado dentro de la colaboración DarkSide, se muestran otras dos líneas de investigación relacionadas con I+D+i para detectores de argón líquido. La primera es el desarrollo de un detector de partículas sensible a la longitud de onda, con el objetivo de estudiar una novedosa técnica de discriminación de partículas en gases nobles. La segunda línea de investigación está relacionada con el desarrollo de un detector para estudiar los efectos producidos por los iones positivos acumulados en los grandes detectores de argón líquido.