Parmi les douzaines d’expériences qui visent à découvrir la matière sombre, l’expérience de détection directe PICO utilise des détecteurs à liquide surchauffé comme moyen pour s’y prendre. La chambre à bulle PICO-40L remplie de C3F8, présentement située dans le laboratoire sous-terrain SNOLAB, est en cours de test en vue d’une recherche aveugle de WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) d’une durée de 1 an. Pour assurer la stabilité du détecteur pendant les périodes de préparation et pendant l’acquisition de données, un logiciel de surveillance a été écrit. Un moyen fiable de surveiller les paramètres importants du détecteur et d’envoyer des alarmes en cas d’urgence joue un rôle important à non seulement au succès de PICO-40L, mais aussi au développement du futur détecteur PICO-500. Située à l’Université de Montréal, la chambre à bulle PICO-0.1 a été conçue afin de calibrer les nombreux événements de fond qui se présentent dans ce type de détecteur. De plus, cette chambre à bulle a été utilisée comme première tentative au monde de mesurer la diffusion Thomson sur un noyau d’atome en exposant le détecteur rempli de C3F8 à une source de gamma produite par la réaction 19F proton à alpha et gamma 16O à l’aide d’un faisceau de protons crée par l’accélérateur de particules de l’Université de Montréal. Ce type d’interaction s’avérera à un événement de fond important pour les expériences de détection directe de matière sombre à bas seuil. / Amongst the dozens of experiments aiming to be the first to claim a dark matter signal, PICO is a direct dark matter detection experiment that utilizes superheated liquid detectors as a means of doing so. The latest C3F8 filled PICO-40L bubble chamber currently located in the SNOLAB underground laboratory is under testing to prepare for a 1 live-year blinded WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) search. To ensure the stability of the detector during both the testing and the data acquisition phases, a monitoring software was coded. A reliable way to monitor all the parameters and to send alerts accordingly plays an important role in not only the success of PICO-40L, but also the development of the future larger-scale PICO-500 detector. PICO-0.1 is a test bubble chamber located at the University of Montreal that was built to calibrate for the numerous background events that can occur in this kind of technology. This test chamber was also used as a world’s first attempt to measure the coherent (Thomson) photon scattering onto a nucleus by exposing the C3F8 filled detector to a gamma source produced by the 19F proton to alpha and gamma 16O reaction using a proton beam created by the University of Montreal particle accelerator. This kind of interaction will prove to be a significant background for future sub-keV direct dark matter detection experiments.

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L’expérience PICO fait partie des chefs de file mondiaux dans la tentative de détection directe de la matière sombre. Cette expérience se spécialise dans l’utilisation des détecteurs à liquide surchauffé pour y parvenir. Le futur détecteur de la collaboration, PICO-500, tentera de détecter les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particle) une fois construit dans le laboratoire sous-terrain SNOLAB. Ce détecteur utilisera un mélange de perfluorocarbone comme fluide actif, une nouveauté pour les chambres à bulles. L’utilisation d’un mélange présente des avantages importants dans la conception du détecteur. Celle-ci permettra de diminuer les contraintes d’ingénierie tout en offrant une sensibilité de détection importante. La chambre à bulles PICO-0.1 est utilisée principalement pour la calibration de perfluorocarbone. À l’aide du tandem situé à l’Université de Montréal et d’une cible de vanadium-51, j’ai pu envoyer des neutrons monoénergétiques afin d’évaluer l’énergie de seuil de la formation de bulles dans ce mélange. Le modèle de Seitz décrivant la formation des bulles a été bien étudié dans le cadre de fluide pur, mais pas dans le cas de mélange de perfluorocarbone. Ce type de calibration effectuée avec le détecteur PICO-0.1 nous a permis de confirmer la validité du modèle de Seitz et que les effets du transport de masse peut être négligés pour ce mélange. La vérification de cette hypothèse était cruciale à la compréhension de la dynamique impliquée dans la formation des bulles et nécessaire pour l’utilisation du futur détecteur PICO-500. / The PICO experiment is one of the world’s leading experiments in the effort to directly detect dark matter. This experiment specializes in the use of superheated liquid detectors for that end. The future PICO detector, PICO-500, will attempt to detect WIMPs (Weakly Interacting Massive Particle) once it will be built at the underground laboratory SNOLAB. This detector will use a mixture of perfluorocarbon as an active fluid, a novelty for bubble chambers in dark matter searches. The use of mixture presents important advantages in the design of this detector. This will allow to lessen some of the engineering constraints while still offering a high sensitivity. The PICO-0.1 bubble chamber is mainly used for the calibration of perfluorocarbon. With the help of the Université de Montréal’s tandem and a target of vanadium-51, I was able to send monoenergetic neutrons to evaluate the threshold energy of bubble nucleation of this mixture. The Seitz model describing bubble formation has been widely studied in the context of pure fluid, but not in the case of perfluorocarbon mixture. This type of calibration with PICO-0.1 has allowed us to confirm that the Seitz model still apply and that the effects of mass transport can be neglected for this mixture. The verification of this hypothesis was crucial to the understanding of the dynamics implicated in bubble formation and was necessary for the future use of PICO-500.

La matière sombre compte pour 85% de la matière composant l’univers et nous ne savons toujours pas ce qu’elle est. Depuis plusieurs années, l’expérience Picasso, maintenant devenue l’expérience PICO, tente d’élucider ce mystère. Les fréons de la famille des CXFY sont utilisés comme cibles de choix dans les détecteurs à liquides surchauffés de l’expérience PICO. Situés à SNOLab, en Ontario, ces détecteurs font parties des plus performant de la recherche de la matière sombre. Lors d’interactions de particules avec le liquide en surchauffe, un changement de phase est induit par le dépôt d’énergie engendré par l’interaction. Les bulles créées par l’évènement sont alors détectées par différents capteurs afin de déterminer le type d’interaction qui a eu lieu. Dans ce travail seront présentés les détecteurs à liquides surchauffés dans le cadre de la recherche de la matière sombre. Principalement, nous y verrons trois types de détecteurs utilisés par les expériences PICO et Picasso. Le principe de fonctionnement de chacun des détecteurs sera exposé en premier lieu ainsi que leur fabrication, puis leur mode d’opération et l’analyse des données. Les méthodes de calibration seront par la suite expliquées pour terminer avec une description des résultats obtenus démontrant la performance de ce type de détection. / Dark matter makes up 85% of the matter content of the universe and we still don’t know what it is made of. The Picasso experiment, now named PICO, has been searching for it for several years with the use of superheated liquid detectors. Following the interaction of a particle with a superheated liquid freon of the CXFY family, a bubble is formed through a phase change and is detected with several types of sensors, telling us about the nature of the event. Located at SNOLab, in Ontario, these detectors produce some of the best results in the field. The present work will go through three types of superheated liquid detectors. A full description of the working principles will be presented for each of them. In addition, the fabrication, the operation mode and the data analysis will be shown. Detector calibration techniques will then be presented with different particle sources. Finally, the most recent results will be discussed, demonstrating the performance of the superheated liquid detector technique.