Search for dark matter with liquid argon detectors

Recherche de matière noire avec détecteurs d'argon liquide La quête pour comprendre la nature insaisissable de la matière noire, un constituant essentiel de l'univers, continue de constituer un défi fondamental pour la physique et la cosmologie modernes. Cette thèse se penche sur le monde complexe de la recherche de matière noire, avec un accent particulier sur deux aspects : la Inelastic Boosted Dark Matter (iBDM) et la matière noire de faible masse, en particulier les Weakly interacting Massives Particles (WIMP) de faible masse. L'étude utilise des détecteurs à argon liquide , offrant une plate-forme unique et sensible pour la détection de ces particules insaisissables. Les preuves cosmologiques de l'existence de la matière noire, combinées à son influence gravitationnelle substantielle sur les galaxies et les amas de galaxies, suggèrent une nature non baryonique. L'un des principaux candidats à la matière noire est le WIMP, supposées être des particules électriquement neutres à interaction faible et dont la masse s'étend potentiellement sur une large gamme. Les WIMP de faible masses, caractérisés par des masses comprises entre le sub-GeV et le GeV, ont retenu l'attention ces dernières années en raison de leur potentiel à résoudre plusieurs problèmes en suspens tout en constituant une nouvelle frontière prête à être explorée par des expériences. Pour détecter la matière noire de faible masse et l'iBDM, cette thèse exploite les capacités uniques de deux détecteurs à argon liquide, DEAP-3600 et DarkSide-50. L'argon liquide, en raison de son excellente résolution énergétique, de son atténuation du bruit de fond et de son évolutivité, offre un milieu idéal pour la détection des reculs de faible énergie produits par les interactions entre les particules de matière noire et les noyaux atomiques ou les électrons. Cette thèse explore en détail le fonctionnement de ces détecteurs, mettant en évidence leur capacité à capturer des événements rares et de faible énergie. L'un des éléments centraux de cette recherche réside dans les défis et les subtilités associés à la détection de matière noire de faible masse, comme l'atténuation du bruit de fond. Il explore de nouvelles techniques d'analyse et des approches statistiques pour améliorer la sensibilité des détecteurs à argon liquide pour les recherches de WIMP de faible masse. Nous avons étudié avec succès la plage d'énergie atteignant un seuil de 0.04 keV, qui est le plus bas jamais examiné dans le cadre d'une recherche de modulation annuelle de la matière noire. Aucune modulation n'a été identifié dans les intervalles analysés. Le niveau de signification associé à ce résultat est insuffisant pour valider ou rejeter définitivement les résultats de DAMA/LIBRA. Néanmoins, il prouve l'efficacité de l'argon liquide dans cette entreprise et, avec une prise de données suffisamment longue et une stabilité suffisante, le potentiel de futur détecteur pour atteindre une sensibilité de pointe. En plus des WIMP de faible masse, la thèse étudie la iBDM en tant que candidat nouveau et moins exploré. Les modèles de matière noire inélastique proposent des particules dont la masse se divise entre leur état fondamental et leur état excité, leur permettant d'accéder cinétiquement à des interactions de plus haute énergie. L'étude discute des signatures astrophysiques potentielles et des stratégies de détection de la iBDM, en soulignant leurs caractéristiques distinctives par rapport aux scénarios WIMP standards. En conclusion, cette thèse fournit un aperçu complet des phénomènes de matière noire, avec un accent principal sur les WIMP de faible masse et la iBDM. À travers un mélange de discussions théoriques et de perspectives expérimentales, il souligne le rôle de ces candidats dans la percée des mystères de l'univers. La quête pour comprendre la matière noire est un domaine dynamique et en évolution, offrant des opportunités passionnantes pour approfondir notre compréhension des constituants fondamentaux de l'Univers.