The PICASSO project is a direct dark matter search experiment located 2070 metres underground in SNOLAB. Superheated droplets of Freon (C4F10) are used as the active mass, providing a target for the incoming neutralinos. Recoiling nuclei deposit energy in the superheated Freon droplets, triggering a phase transition, the pressure waves of which can be detected using piezo-electric sensors. Previously published limits using an exposure of 1.98 +/- 0.19 kg day obtained a peak spin-dependent cross section exclusion limit for neutralino-proton interactions of 1.31 pb at a neutralino mass of 29 GeV/c^2 at a 90% confidence level. Improvements in the detectors installed in the underground experiment have provided 20.99 +/- 0.25 kg day for analysis and improvements in the analysis method have produced an exclusion limit of 2.9 X 10^(-2) pb at a neutralino mass of 16.7 GeV/c^2. In addition, a thorough study of the backgrounds, corrections and systematic uncertainties has been included, indicating that this limit does not exceed 3.5 X 10^(-2) pb when considering the one sigma error on the uncertainty band. / Thesis (Ph.D, Physics, Engineering Physics and Astronomy) -- Queen's University, 2008-08-29 11:42:31.428

One of the greatest mysteries of the universe that, for the present, puzzles the mind of most astronomers, cosmologists and physicists is the question: "What makes up our universe?". This is due to how a certain substance named Dark Matter came under speculation. It is believed this enigmatic substance, of type unknown, accounts for almost three-quarters of the cosmos within the universe, could be the answer to several questions raised by the models of the expanding universe astronomers have created, and even decide the fate of the expansion of the universe. There is strong observational evidence for the dominance of non-baryonic Dark Matter (DM) over baryonic matter in the universe. Such evidence comes from many independent observations over different length scales. The most stringent constraint on the abundance of DM comes from the analysis of the Cosmic Microwave Background (CMB) anisotropies. In particular, the WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) experiment restricts the abundance of matter and the abundance of baryonic matter in good agreement with predictions from Big Bang Nucleosynthesis. It is commonly believed that such a non-baryonic component could consist of new, as yet undiscovered, particles, usually referred to as WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). Some extensions of the standard model (SM) of particle physics predict the existence of particles that would be excellent DM candidates. In particular great attention has been dedicated to candidates arising in supersymmetric theories: the Lightest Supersymmetric Particle (LSP). In the most supersymmetric scenarios, the so-called neutralino seems to be a natural candidate, being stable in theories with conservation of R-parity and having masses and cross sections of typical WIMPs. The EDELWEISS collaboration is a direct dark matter search experiment, aiming to detect directly a WIMP interaction in a target material, high purity germanium crystal working at cryogenic temperatures. It relies in the measurement of nuclear recoils that produce measurable effects in the crystal such ionization and heat. My PhD thesis is organized as follows. The first chapter aims to provide an introduction to the theoretical framework and the scientific motivation for the following work. The nature of DM has been one of the most challenging topics in contemporary physics since the first evidences of its existence had been found in the 1930s. Cosmologists and astrophysicists on one side, together with particle theorists on the other have put a lot of effort into this field: I will briefly account for their achievements and for the experimental strategies which can be set in this scenario. Since this thesis work was carried out within the EDELWEISS-II direct dark matter experiment, I will focus the next chapter on this topic, describing the main features. The second chapter is related to the set-up of the EDELWEISS-II, the current stage of the EDELWEISS experiment necessary after a first phase that achieved the best upper limit on the WIMP elastic scattering on nucleon as a function of WIMP mass in 2004. [....]

Early methods of optical fiber communication systems haven't been much promising in terms of efficiency. The presence of various impairments in the fiber channel has forced researchers to uncover solutions in order to minimize those effects. With the advancement of technology, optical solutions were finally easier to implement in the system. To this day, optical compensation methods are still found to be as the best way to minimize fiber impairments. However, such technique does introduce enormous complexity to the system, in addition to a large cost. For that reason, the main focus had to shift to an alternative method. Electrical compensation techniques have provided the factor of simplicity to the optical communication system, not to mention that they are relatively cheaper than optical compensators. Furthermore, electrical schemes were found to handle fiber impairments in a relatively efficient manner. In this thesis, an optical fiber communication scheme using the direct-detection method is simulated. A frequency shifter in the optical domain will be used for the system to have a coherent like detection. At the receiver's side, a linear equalizer is realized to offset the linear effects caused by the fiber. To our knowledge, this will mark the first direct detection transmission system to pass the one thousand kilometre mark in fiber length. Furthermore, we simulate another optical fiber communication design using the coherent detection. A nonlinear compensator adapting the Volterra approach will be used to offset nonlinear impairments. Such performance will be compared to that of a linear compensator. Design trade-offs will be analyzed, and the nonlinear compensator is found to a improve performance when a dispersion compensation fiber (DCF) is introduced in the optical domain. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Le domaine des fréquences térahertz (THz, 1 THz = 10^12 Hz) fait partie du spectre électromagnétique qui n'est pas encore sous contrôle. Il possède des propriétés physiques qui peuvent être exploitées dans des domaines très différents comme la spectroscopie, les télécommunications, l'imagerie, la sécurité ...L'objectif de ce projet de thèse était d'étudier et de réaliser un nouveau type de capteur THz basé sur des nanocanaux asymétriques de gaz d'électrons bidimensionnel également appelés Self-Switching Devices (SSD), c'est à dire dispositifs auto-commutants. Ces nouveaux dispositifs ont des caractéristiques I(V) non-linéaires leur permettant de fonctionner en tant que détecteurs quadratiques tout comme les diodes Schottky classiques.Les SSDs qui sont fabriqués par la création - dans une hétérojonction contenant un gaz d'électrons bidimensionnel - deux tranchées symétriques isolantes en forme de L disposées en tête bêchent, possèdent une haute mobilité d'électrons qui leur permet de travailler à des fréquences très élevées. Les contacts sont simplement réalisés par un dépôt métallique de chaque côté du dispositif et l'architecture complètement planaire permet facilement la réduction de leurs tailles et leur parallélisation. Ceci est en contraste avec la diode traditionnelle, et évidemment conduit à une réduction significative du coût de production. En outre, l'architecture extrêmement simple permet une très faible capacité parasite et donc une très grande vitesse de fonctionnement. À partir des simulations Monte Carlo, le dispositif devrait fonctionner également dans la gamme de fréquences THz, dans laquelle de très larges champs d'applications ont été démontrés.Nous avons développé deux bancs expérimentaux et démontré, dans une configuration quasi-optique, dans un espace libre et à température ambiante que les SSDs en nitrure de gallium (GaN) travaillent en tant que détecteurs directs par redressement et aussi en tant que détecteurs hétérodynes et ceux-ci jusqu'à 0,69 THz. Des réponses de 2 V/W et de 0,3 V/W avec des bandes passantes supérieures à 40 GHz et à 13 GHz ont été obtenues dans les gammes de fréquences de 0,30 et de 0,69 THz, respectivement. La caractérisation des SSDs en tant que mélangeurs ne montre aucune déviation de la linéarité entre la puissance de la porteuse THz (signal d'entrée RF) et celle du signal de sortie (IF) ayant une fréquence intermédiaire. Les simulations de Monte Carlo, utilisées pour estimer les pertes de conversion des nano-dispositifs de 27 dB à 0,69 THz, ont confirmé ces résultats.En conséquence, la mise en œuvre pratique des SSDs en tant que mélangeurs d'ondes submillimétriques de hautes puissances semble faisable. En outre, des études plus récentes de nanodispositifs similaires à base de GaN, ont démontré leurs possibilités d'agir comme oscillateurs Gunn qui pourraient être des éléments actifs dans des émetteurs THz. Par conséquence, les bonnes performances des nanocanaux en GaN démontrées dans cette thèse permettent non seulement l'intégration facile des antennes pour un meilleur couplage en espace libre, mais aussi (i) une flexibilité dans la conception pour une dissipation thermique optimale et la réduction des effets parasites et (ii) la possibilité de développer un système émetteur/détecteur d'ondes submillimétriques complètement intégré fonctionnant à température ambiante. / Terahertz frequency domain (THz, 1 THz = 10^12 Hz) is part of the electromagnetic spectrum that is not yet under control. It does have physical properties that concern very different fields such as spectroscopy, telecommunications, imaging, security...The project goal of this thesis was to study and to realize a new type of THz sensor based on asymmetrical nanochannels of two-dimensional electron gas (2DEG) also called Self‐Switching‐Devices (SSDs). These new devices have a non-linear I-V characteristics allowing them to operate as quadratic detectors like conventional Schottky diodes.SSDs manufactured by creating – into a heterojunction containing a two-dimensional electron gas — two symmetrical L-shaped insulating trenches arranged in head to tail, present high electron mobility that allows them to work at very high frequencies. Contacts are simply made by metal deposit on each side of the device and the completely planar architecture allows easy downscaling and parallelization. This is a great contrast with the traditional diode, and obviously leads to a significant reduction of the production cost. Moreover, the extremely simple architecture enables a very low parasitic capacitance and therefore a very high operation speed. From Monte Carlo simulations, the device is expected to operate also in the THz frequency range, in which very broad ranges of applications have been visualized.We have developed two experimental benches and demonstrated, in a quasi-optical configuration, free space and at room temperature that gallium nitride (GaN) based SSDs act as rectifying direct detectors and heterodyne detectors up to 0.69 THz. Responsivities of 2 V/W and 0.3 V/W with bandwidths greater than 40 GHz and 13 GHz were obtained in the 0.30 and 0.69 THz ranges, respectively. The characterization of the SSDs as mixers didn't show any deviation from linearity between the THz carrier (RF) input power and the power of the intermediate frequency (IF) signal output. Monte Carlo simulations, used to estimate nano-device intrinsic conversion losses of 27 dB at 0.69 THz, have confirmed these results. As a consequence, the practical implementation of SSDs as mixers of high-power sub-millimetre waves seems feasible. Moreover recent studies of similar GaN-based nanodevices, have demonstrated their possibilities to act as Gunn oscillators that could be active elements in THz emitters. Therefore, the good performances of GaN nanochannels demonstrated in this thesis allow not only the easy integration of antennas for a better free space coupling but also (i) a flexibility in the design of an optimum thermal dissipation and reduction of parasitic effects, and (ii) the possibility to develop a fully integrated emitter/detector submillimeter-wave system working at room temperature.

La présence de grandes quantités de matière noire invisible, c'est-à-dire non lumineuse, donc sans couplage avec les photons, autour des galaxies et à l'intérieur de leurs amas, a été confirmée par toute une série d'observations indépendantes au niveau galactique, extragalactique et cosmologique. De quoi cette matière noire est composée représente un des mystères de l'Univers qui intrigue cosmologistes et physiciens des particules. Les modèles supersymétriques proposent des candidats naturels : les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particle). Dans la plupart des cas de figure, l'Univers est suffisamment rempli de WIMPs pour qu'il soit possible de les détecter indirectement ou directement. Pendant mon doctorat, je me suis intéressée à la recherche directe de matière noire au sein de la collaboration EDELWEISS. EDELWEISS est une expérience de recherche directe de matière noire, cette dernière interagissant avec la matière baryonique par diffusion élastique. Dans le but de mesurer les énergies des reculs nucléaires dus à ces rares interactions, EDELWEISS emploie des détecteurs cryogéniques à double composante chaleur et ionisation (de type Ge-NTD). Chacun de ces détecteurs est constitué d'un cristal de Germanium de 320g, refroidi à une température de 20 mK. La mesure simultanée de deux signaux chaleur et ionisation permet la discrimination entre les reculs électroniques et les reculs nucléaires, ces derniers étant principalement induits par des WIMPs ou des neutrons. Le coeur de mon travail de thèse a été l'analyse des données du run 8 de physique comportant 11 bolomètres caractérisés par une très bonne stabilité en termes de résolution ligne de base et correspondant à une exposition fiducielle de 93.5 kg.j. Les différentes étapes de l'analyse sont détaillées ci-dessous. J'ai commencé par l'étalonnage des détecteurs cryogéniques avec des sources gamma 133Ba et neutron Am-Be dans le but d'évaluer leurs performances dans l'environnement du nouveau cryostat EDELWEISS-II et de la nouvelle chaîne d'acquisition. Ensuite j'ai traité l'optimisation des méthodes d'analyse et des paramètres de la chaîne de lecture des données. Enfin les résultats sont interprétés en termes de limite sur la section efficace d'interaction d'un WIMP avec un nucléon en fonction de la valeur de sa masse. Pour un seuil en énergie de recul de 30 keV (choisi a priori), 3 événements ont été enregistrés dans la bande de reculs nucléaires, correspondant à une sensibilité de 5*10^-7 pb pour une masse de WIMP de 80 GeV/c^2. J'ai également mené une étude pour comprendre le bruit de fond radioactif résiduel, regardant avec attention le fond gamma et le fond beta provenant du 210Pb. Pour ce dernier, un bolomètre Ge-NTD a été équipé avec une source de 210Pb. Le fond gamma pour des énergies supérieures à 100 keV montre une réduction globale et uniforme d'un facteur deux par rapport à la première phase de l'expérience, EDELWEISS-I, arrêtée en 2004. [....] Cette étude a permis de prédire le nombre de betas de basse énergie attendus pour le run de physique. Cette prédiction se révèle compatible avec le spectre expérimental de trois événements observés dans la zone des reculs nucléaires. Néanmoins cela n'est pas suffisant pour permettre une soustraction du fond, du fait des grandes incertitudes liées au profil de collection de charge et au profil d'implantation du Pb / One of the greatest mysteries of the universe that, for the present, puzzles the mind of most astronomers, cosmologists and physicists is the question: "What makes up our universe?". This is due to how a certain substance named Dark Matter came under speculation. It is believed this enigmatic substance, of type unknown, accounts for almost three-quarters of the cosmos within the universe, could be the answer to several questions raised by the models of the expanding universe astronomers have created, and even decide the fate of the expansion of the universe. There is strong observational evidence for the dominance of non-baryonic Dark Matter (DM) over baryonic matter in the universe. Such evidence comes from many independent observations over different length scales. The most stringent constraint on the abundance of DM comes from the analysis of the Cosmic Microwave Background (CMB) anisotropies. In particular, the WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) experiment restricts the abundance of matter and the abundance of baryonic matter in good agreement with predictions from Big Bang Nucleosynthesis. It is commonly believed that such a non-baryonic component could consist of new, as yet undiscovered, particles, usually referred to as WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). Some extensions of the standard model (SM) of particle physics predict the existence of particles that would be excellent DM candidates. In particular great attention has been dedicated to candidates arising in supersymmetric theories: the Lightest Supersymmetric Particle (LSP). In the most supersymmetric scenarios, the so-called neutralino seems to be a natural candidate, being stable in theories with conservation of R-parity and having masses and cross sections of typical WIMPs. The EDELWEISS collaboration is a direct dark matter search experiment, aiming to detect directly a WIMP interaction in a target material, high purity germanium crystal working at cryogenic temperatures. It relies in the measurement of nuclear recoils that produce measurable effects in the crystal such ionization and heat. My PhD thesis is organized as follows. The first chapter aims to provide an introduction to the theoretical framework and the scientific motivation for the following work. The nature of DM has been one of the most challenging topics in contemporary physics since the first evidences of its existence had been found in the 1930s. Cosmologists and astrophysicists on one side, together with particle theorists on the other have put a lot of effort into this field: I will briefly account for their achievements and for the experimental strategies which can be set in this scenario. Since this thesis work was carried out within the EDELWEISS-II direct dark matter experiment, I will focus the next chapter on this topic, describing the main features. The second chapter is related to the set-up of the EDELWEISS-II, the current stage of the EDELWEISS experiment necessary after a first phase that achieved the best upper limit on the WIMP elastic scattering on nucleon as a function of WIMP mass in 2004. [....]

Bien que représentant plus d’un quart de la distribution en énergie de notre Univers ainsi que la majorité (84\%) de la masse de celui-ci, la nature de la matière noire n’a pas encore été percée à ce jour. Dans cette thèse, il sera supposé que la matière noire est une nouvelle particule élémentaire, stable et dont la connexion (hors interactions gravitationnelles) avec le secteur visible est réalisée grâce à une autre particule, le médiateur. Au sein de ces lignes, la matière noire sera supposée être un fermion de Dirac et le médiateur un boson (vecteur ou scalaire), ce dernier étant choisi comme étant plus léger que la matière noire. Cette thèse propose d’explorer les aspects infrarouges de la production de la matière noire dans l’Univers primordial, le potentiel de détection d’une importante classe de candidats dits \enquote{freeze-in}, caractérisés par de très faibles interactions avec le Modèle Standard, auprès des expériences de détection directe et l’effet des auto-interactions de la matière noire sur son comportement superfluide dans les régions de haute densité de matière noire (halos, capture par des astres compacts) asymétrique. Sous ces hypothèses, premièrement, une étude exhaustive des différents mécanismes de production de la matière noire est réalisée, illustrée dans un modèle où le médiateur est un photon du secteur caché, issu d’un nouveau groupe de jauge U(1)’, qui mélange de façon cinématique avec le photon du Modèle Standard. En particulier, de nouveaux canaux de production sont mis en avant, nommément \textit{freeze-in from mediator} et \textit{sequential freeze-in}. Ceux-ci correspondent à des scénarios où la matière noire est très faiblement couplée au Modèle Standard, n’atteint jamais l’équilibre avec celui-ci dans l’Univers primordial et est produit petit à petit par des annihilations de médiateurs (en équilibre ou non avec le Modèle Standard). Il est ensuite montré que pour l’important et très attractif cas d’une matière noire milli-chargée (ainsi que pour des scénarios où le médiateur n’est pas plus massif que 40 méga-electronvolt), l’expérience de détection indirect Xenon1T contraint aujourd’hui l’espace des paramètres de la phase de freeze-in de ces modèles, et est, dans cette région de l’espace des paramètres, la contrainte la plus importante. Une réinterprétation des limites sur les interactions indépendantes du spin matière noire – nucléon est par ailleurs nécessaire, détaillée et validée. Dans la seconde partie de la thèse, l’effet des auto-interactions dans les scénarios de matière noire asymétrique est exploré. Sous l’hypothèse qu’un halo (galactique ou non) de matière noire atteint l’équilibre thermodynamique à très basse température (comparée à sa masse) et développe donc un potentiel chimique fini, des interactions matière noire – matière noire au voisinage de la surface de Fermi peut entraîner la formation de condensats, de transitions de phase du milieu et dès lors modifier drastiquement l’équation d’état du halo. Un système d’équations auto-consistant pour les condensats est présenté et résolu numériquement. Ensuite, la thermodynamique du système de gaz interagissant est explorée. Finalement, les interactions gravitationnelles sont considérées et les configurations auto-gravitantes, prenant en compte l’ensemble des auto-interactions, sont déterminées et leurs aspects phénoménologiques sont explorés.Even though dark matter represents more than a quarter of the energy budget of our Universe and the majority (84\%) of its mass, the nature of dark matter has not yet been unravelled. In this thesis, it will be assumed that dark matter is a new elementary particle, stable and whose connection (on top of gravitational interactions) with the visible sector is realized through another particle, the mediator. In this thesis, dark matter will be assumed to be a Dirac fermion and the mediator will be a boson (either vector or scalar). This thesis proposes to explore infrared aspects of the production of dark matter in the primeval Universe, aspects of detection of the important class of feebly coupled \enquote{freeze-in} candidates at direct detection experiments and aspects of condensed matter physics such as superfluidity in region of high dark matter density (halos or inside compact objects such as neutron stars). Under these hypothesis, we will first detail an exhaustive study of the possible thermal mechanism of dark matter production, illustrated in a model where the mediator is a dark photon, arising from a new $U\left(1\right)'$ gauge group, which kinematically mixes with the Standard Model photon. In particular, new production channels are put forward, namely the \textit{freeze-in from mediator} and \textit{sequential freeze-in}. They correspond to scenarios where dark matter is very feebly coupled to the Standard Model, do not reach equilibrium with the visible sector thermal bath in the Early Universe and are slowly produced by mediator annihilations (in-equilibrium or not with the Standard Model). It is then showed that for the popular case of a millicharged dark matter ( and for scenarios in which the mediator mass is not bigger than $40$ mega electronvolt), the direct detection experiment XENON1T constrains today the freeze-in parameter space of such models and is the strongest constraint overall for such candidates. A recast of the bounds on spin-independent dark matter$-$nucleon interactions was needed and we validate our procedure against other recast. In the second part of this thesis, the effects of self-interactions in asymmetric dark mater scenarios are explored. Under the hypothesis that a dark matter halo reaches thermodynamic equilibrium at very low temperature (compared to its mass) and develops a finite chemical potential, dark matter$-$ dark matter interactions at the vicinity of the Fermi surface can lead to the formation of condensates, to phase transitions and therefore modify drastically the equation of state of the halo. A self-consistant set of equations for the condensates is presented and solved numerically. The thermodynamics of the interacting dark matter cloud is also explored. Finally, gravitational interactions are considered and self-gravitating configurations of halos, taking into account self-interactions, are determined and their phenomenological aspects is explored. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ultracold neutron (UCN) projection imaging is demonstrated using a boron-coated back-illuminated CCD camera and the Los Alamos UCN source. Each neutron is recorded through the capture reactions with10B. By direct detection at least one of the byproducts α, 7Li and γ (electron recoils) derived from the neutron capture and reduction of thermal noise of the scientific CCD camera, a signal-to-noise improvement on the order of 104 over the indirect detection has been achieved. Sub-pixel position resolution of a few microns is confirmed for individual UCN events. Projection imaging of test objects shows a spatial resolution less than 100μm by an integrated UCN flux one the order of 106 cm−2. The bCCD can be used to build UCN detectors with an area on the order of 1 m2. The combination of micrometer scale spatial resolution, low readout noise of a few electrons, and large area makes bCCD suitable for quantum science of UCN.

No description available.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第24004号 / エネ博第440号 / 新制||エネ||83(附属図書館) / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー基礎科学専攻 / (主査)教授 田中 仁, 教授 中村 祐司, 教授 長﨑 百伸 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DFAM

The viability of using a slicer based integral field spectrograph (IFS) for high contrast observations has been under scrutiny due to the belief that the one dimensional coherence that persists along the slice to the point of sampling at the detector will cause the creation of secondary speckles that will not have the same characteristics as normal speckles, thus stopping us from calibrating them out. It has also been previously assumed that a suitably low differential wavefront error when moving slice to slice was not guaranteed by design. It was for these reasons that slicer based IFSs were not selected for the current generation of planet finding instruments. As part of the EPICS (Exo Planet Imaging Camera and Spectrograph for the E-ELT) design study it was decided that slicers should be re-investigated due to results from on sky observations suggesting these limitations did not exist. The purpose of this thesis was to determine whether there was validity to the concerns mentioned above and therefore to answer the question; Would implementing a slicer based integral field spectrograph limit the achievable contrast of an instrument designed for the direct detection of exoplanets? Chapter 1 gives a brief introduction into the field of exoplanet research. Charpter 2 describes the noise limiting direct detection of exoplanets and the ways to get around it. Chapter 3 gives an overview of the two types of IFS under investigation by the EPICS consortium. Chapter 4 looks into details of the EPICS instrument and the IFS design study that came about. Chapter 5 shows simulations performed for the aim of achieving better contrasts via post processing methods and accurate data reduction as well as simulations of slicer based integral field spectrographs. Experimental tests using a slicer and a preoptics setup designed to simulate the limiting noise are described in Chapter 6. Chapter 7 looks at using SINFONI for high contrast observations and Chapter 8 details the conclusions drawn from the work presented in this thesis, as well as possible extensions to it. The work performed in this thesis dispels the concerns about the continued one dimensional coherence up to the detecter and suggests that slicer based integral field spectrographs do not inherently limit the contrast achievable; Results from experiments fit well with the requirements for EPICS to achieve its goals. Simulations also supported the idea that secondary speckle noise should not be an issue for the slicer based IFS. This means that a slicer based IFS is a viable option for the EPICS instrument.