Alors que la nouvelle génération de détecteurs directs de matière sombre est en cours de construction, dans l’espoir de trouver de la matière sombre avec une masse inférieure au GeV, il est important de comprendre comment le rayonnement naturel peut produire un fond d’interactions à faible énergie. Cette thèse s’intéressera à la simulation de la diffusion élastique des rayons γ, une source possible de fonds pour les détecteurs de matière sombre sub-GeV. La simulation utilise le logiciel SuperSim basé sur Geant4 afin de modéliser l’expérience SuperCDMS SNOLAB. Une version modifiée du G4JAEAElasticScatteringModel appelée CDMSJAEAElasticScatteringModel a été mise en oeuvre dans SuperSim afin de simuler les mécanismes de diffusion de photon élastiques Rayleigh, nucléaire Thomson et Delbrück. Le CDMSJAEAElasticScatteringModel ajoute la possibilité pour les particules γ de déposer de l’énergie après avoir été diffusées élastiquement. La validité de ces deux modèles a été vérifiée et des erreurs dans le logicielle ont été rencontrées dans leur traitement des distributions d’angle de diffusion des photons qui déterminent les spectres d’énergie déposée. Les sections efficaces totales sont en accord avec la documentation et d’autres sources. Malgré les erreurs logicielles, la simulation définit une limite inférieure sur le taux de diffusion élastique des rayons γ de ∼ 0,01 et ∼ 0,035 photon diffusé élastiquement par kg par an pour les détecteurs SuperCDMS SNOLAB au germanium et au silicium, respectivement. Ces limites inférieures sont définies à l’aide d’une coupure d’énergie de recul de 1 eV. Cela fait de la diffusion élastique des rayons γ une source importante de bruit de fond pour détecteurs SuperCDMS proposés avec des capacités de discrimination ER/NR à des énergies de recul à l’échelle eV. / While the new generation of direct dark matter detectors are being built in the hopes of finding sub-GeV dark matter, it is important to understand how natural radiation can produce a background of low-energy interactions. This thesis will analyze simulating γ-ray elastic scattering, a possible source of background for sub-GeV dark matter detectors. The simulation uses Geant4-based SuperSim software in order to model the SuperCDMS SNOLAB experiment. A modified version of the G4JAEAElasticScatteringModel called CDMSJAEAElasticScatteringModel was implemented into SuperSim in order to simulate the Rayleigh, nuclear Thomson and Delbrück γ-ray elastic scattering mechanisms. The CDMSJAEAElasticScatteringModel adds the ability for the γ particles to deposit energy after being elastically scattered. The validity of both these models was checked, and errors were encountered in their treatment of photon scattering angle distributions which determine the deposited energy spectra. The total cross sections are consistent with the documentation and other sources. Despite the bug, the simulation does set a lower bound on the γ-ray elastic scattering rate of ∼ 0.01 and ∼ 0.035 elastically scattered photon per kg per year for germanium and silicon SuperCDMS SNOLAB detectors, respectively. These lower bounds are set using a 1 eV recoil energy cutoff. In conclusion, γ-ray elastic scattering a significant source of background for proposed SuperCDMS detectors with ER/NR discrimination capabilities at eV-scale recoil energies.

La collaboration scientifique PICO a comme but de développer des détecteurs pour découvrir la matière sombre. Bien que le modèle standard de la physique des particules décrit bien la matière qui nous entoure, plusieurs phénomènes nous indiquent qu'il reste d'autres particules à ajouter à ce modèle. Les recherches montrent que la matière connue ne représente que 5% de toute la masse-énergie contenue dans l'Univers, ce qui laisse place à découvrir les 95% restants. Le groupe PICO se spécialise dans la détection de matière sombre en utilisant les chambres à bulles. Les chambres à bulles de PICO ont été très performantes au cours des dernière décennies, mais elles ont récemment atteint leur apogée. Ce mémoire a pour but d'évaluer une autre approche quant au design des détecteurs pour voir s'il y a de nouvelles technologies permettant de poursuivre l'utilisation des chambres à bulles. Cependant, des contraintes mécaniques, de radiopureté, financières et techniques s'appliquent sur les matériaux utilisés pour la construction de la chambre. Nous nous intéressons donc à voir si l'utilisation d'un sac en nylon pour remplacer la jarre en verre qui contient le fréon amènerait une approche novatrice à la jarre. Afin d'évaluer cette idée, la construction d'un modèle réduit de la chambre à bulles, nommé NBBC (\textit{Nylon Bac Bubble Chamber}), a été mis sur pied. Si le concept fonctionne réellement, ce détecteur justifierait la création d'un modèle plus gros que tout ce qui a été réalisé jusqu'à présent en termes de détection par chambre à bulles. Ce mémoire présente toutes les étapes nécessaire à la réalisation de la chambre test NBBC, en commençant par un bref historique des détecteurs déjà existants. Les principes du fonctionnement de la chambre sont ensuite exposés, suivis d'une description de tous les circuits électriques développés et de tous les codes écrits. Finalement, les tests effectués sont présentés et le dernier chapitre est dédié aux conclusions obtenues et aux conseils sur la poursuite du projet. / The PICO scientific collaboration seeks to discover dark matter. Although the standard model of particle physics describes well the matter we already know, several phenomena show that there are more particles to add to this model. These shows that «normal» matter makes up only 5% of all the mass-energy in the Universe, leaving the other 95% still to be found. The PICO group specializes in the use of bubble chambers to find this dark matter. PICO bubble chambers have been very efficient, but they have reached their peak in recent years. The purpose of this master thesis is to evaluate other technologies that can be used to construct larger bubble chambers. Mechanical, radiopurity, financial and technical constraints apply to the materials used for the construction of the chamber. We are therefore interested to see if the use of a nylon bag to replace the glass jar containing freon could bring an innovative perspective to this jar. To evaluate this idea, we have embarked to build a prototype chamber, called NBBC. If the concept actually works, this detector would justify the creation of a larger model than anything that has ever been done in terms of bubble chamber detection before. This MSc thesis presents all the steps for the NBBC test chamber construction, starting with a brief history of the existing detectors. The working principles of the chamber will then be explained, followed by a description of all the new design elements. Finally, the tests carried out are presented and the last chapter is dedicated to the conclusions obtained and the advice on the continuation of the project.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Un nouveau contrôleur de EMCCD (Electron multiplying Charge Coupled Device) est présenté. Il permet de diminuer significativement le bruit qui domine lorsque la puce EMCCD est utilisé pour du comptage de photons: le bruit d'injection de charge. À l'aide de ce contrôleur, une caméra EMCCD scientifique a été construite, caractérisée en laboratoire et testée à l'observatoire du mont Mégantic. Cette nouvelle caméra permet, entre autres, de réaliser des observations de la cinématique des galaxies par spectroscopie de champ intégral par interférométrie de Fabry-Perot en lumière Ha beaucoup plus rapidement, ou de galaxies de plus faible luminosité, que les caméras à comptage de photon basées sur des tubes amplificateurs. Le temps d'intégration nécessaire à l'obtention d'un rapport signal sur bruit donné est environ 4 fois moindre qu'avec les anciennes caméras. Les applications d'un tel appareil d'imagerie sont nombreuses: photométrie rapide et faible flux, spectroscopie à haute résolution spectrale et temporelle, imagerie limitée par la diffraction à partir de télescopes terrestres (lucky imaging), etc. D'un point de vue technique, la caméra est dominée par le bruit de Poisson pour les flux lumineux supérieurs à 0.002 photon/pixel/image. D'un autre côté, la raie d'hydrogène neutre (HI) à 21 cm a souvent été utilisée pour étudier la cinématique des galaxies. L'hydrogène neutre a l'avantage de se retrouver en quantité détectable au-delà du disque optique des galaxies. Cependant, la résolution spatiale de ces observations est moindre que leurs équivalents réalisés en lumière visible. Lors de la comparaison des données HI, avec des données à plus haute résolution, certaines différences étaient simplement attribuées à la faible résolution des observations HI. Le projet THINGS (The HI Nearby Galaxy Survey a observé plusieurs galaxies de l'échantillon SINGS (Spitzer Infrared Nearby Galaxies Survey). Les données cinématiques du projet THIGNS seront comparées aux données cinématiques obtenues en lumière Ha, afin de déterminer si la seule différence de résolution spatiale peut expliquer les différences observées. Les résultats montrent que des différences intrinsèques aux traceurs utilisées (hydrogène neutre ou ionisé), sont responsables de dissemblances importantes. La compréhension de ces particularités est importante: la distribution de la matière sombre, dérivée de la rotation des galaxies, est un test de certains modèles cosmologiques. / A new EMCCD (Electron multiplying Charge Coupled Device) controller is presented. It allows the EMCCD to be used for photon counting by drastically taking down its dominating source of noise : the clock induced charges. A new EMCCD camera was built using this controller. It has been characterized in laboratory and tested at the observatoire du mont Mégantic. When compared to the previous generation of photon counting cameras based on intensifier tubes, this new camera renders the observation of the galaxies kinematics with an integral field spectrometer with a Fabry-Perot interferometer in Ha light much faster, and allows fainter galaxies to be observed. The integration time required to reach a given signal-to-noise ratio is about 4 times less than with the intensifier tubes. Many applications could benefit of such a camera: fast, faint flux photometry, high spectral and temporal resolution spectroscopy, earth-based diffraction limited imagery (lucky imaging), etc. Technically, the camera is dominated by the shot noise for flux higher than 0.002 photon/pixel/image. The 21 cm emission line of the neutral hydrogen (HI) is often used to map the galaxies kinematics. The extent of the distribution of the neutral hydrogen in galaxies, which goes well beyond the optical disk, is one of the reasons this line is used so often. However, the spatial resolution of such observations is limited when compared to their optical equivalents. When comparing the HI data to higher resolution ones, some differences were simply attributed to the beam smearing of the HI caused by its lower resolution. The THINGS (The HI Nearby Galaxy Survey) project observed many galaxies of the SINGS (Spitzer Infrared Nearby Galaxies Survey) project. The kinematics of THINGS will be compared to the kinematic data of the galaxies obtained in Ha light. The comparison will try to determine whether the sole beam smearing is responsible of the differences observed. The results shows that intrinsic dissimilarities between the kinematical tracers used are responsible of some of the observed disagreements. The understanding of theses differences is of a high importance as the dark matter distribution, inferred from the rotation of the galaxies, is a test to some cosmological models.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

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.

Un nouveau contrôleur de EMCCD (Electron multiplying Charge Coupled Device) est présenté. Il permet de diminuer significativement le bruit qui domine lorsque la puce EMCCD est utilisé pour du comptage de photons: le bruit d'injection de charge. À l'aide de ce contrôleur, une caméra EMCCD scientifique a été construite, caractérisée en laboratoire et testée à l'observatoire du mont Mégantic. Cette nouvelle caméra permet, entre autres, de réaliser des observations de la cinématique des galaxies par spectroscopie de champ intégral par interférométrie de Fabry-Perot en lumière Ha beaucoup plus rapidement, ou de galaxies de plus faible luminosité, que les caméras à comptage de photon basées sur des tubes amplificateurs. Le temps d'intégration nécessaire à l'obtention d'un rapport signal sur bruit donné est environ 4 fois moindre qu'avec les anciennes caméras. Les applications d'un tel appareil d'imagerie sont nombreuses: photométrie rapide et faible flux, spectroscopie à haute résolution spectrale et temporelle, imagerie limitée par la diffraction à partir de télescopes terrestres (lucky imaging), etc. D'un point de vue technique, la caméra est dominée par le bruit de Poisson pour les flux lumineux supérieurs à 0.002 photon/pixel/image. D'un autre côté, la raie d'hydrogène neutre (HI) à 21 cm a souvent été utilisée pour étudier la cinématique des galaxies. L'hydrogène neutre a l'avantage de se retrouver en quantité détectable au-delà du disque optique des galaxies. Cependant, la résolution spatiale de ces observations est moindre que leurs équivalents réalisés en lumière visible. Lors de la comparaison des données HI, avec des données à plus haute résolution, certaines différences étaient simplement attribuées à la faible résolution des observations HI. Le projet THINGS (The HI Nearby Galaxy Survey a observé plusieurs galaxies de l'échantillon SINGS (Spitzer Infrared Nearby Galaxies Survey). Les données cinématiques du projet THIGNS seront comparées aux données cinématiques obtenues en lumière Ha, afin de déterminer si la seule différence de résolution spatiale peut expliquer les différences observées. Les résultats montrent que des différences intrinsèques aux traceurs utilisées (hydrogène neutre ou ionisé), sont responsables de dissemblances importantes. La compréhension de ces particularités est importante: la distribution de la matière sombre, dérivée de la rotation des galaxies, est un test de certains modèles cosmologiques. / A new EMCCD (Electron multiplying Charge Coupled Device) controller is presented. It allows the EMCCD to be used for photon counting by drastically taking down its dominating source of noise : the clock induced charges. A new EMCCD camera was built using this controller. It has been characterized in laboratory and tested at the observatoire du mont Mégantic. When compared to the previous generation of photon counting cameras based on intensifier tubes, this new camera renders the observation of the galaxies kinematics with an integral field spectrometer with a Fabry-Perot interferometer in Ha light much faster, and allows fainter galaxies to be observed. The integration time required to reach a given signal-to-noise ratio is about 4 times less than with the intensifier tubes. Many applications could benefit of such a camera: fast, faint flux photometry, high spectral and temporal resolution spectroscopy, earth-based diffraction limited imagery (lucky imaging), etc. Technically, the camera is dominated by the shot noise for flux higher than 0.002 photon/pixel/image. The 21 cm emission line of the neutral hydrogen (HI) is often used to map the galaxies kinematics. The extent of the distribution of the neutral hydrogen in galaxies, which goes well beyond the optical disk, is one of the reasons this line is used so often. However, the spatial resolution of such observations is limited when compared to their optical equivalents. When comparing the HI data to higher resolution ones, some differences were simply attributed to the beam smearing of the HI caused by its lower resolution. The THINGS (The HI Nearby Galaxy Survey) project observed many galaxies of the SINGS (Spitzer Infrared Nearby Galaxies Survey) project. The kinematics of THINGS will be compared to the kinematic data of the galaxies obtained in Ha light. The comparison will try to determine whether the sole beam smearing is responsible of the differences observed. The results shows that intrinsic dissimilarities between the kinematical tracers used are responsible of some of the observed disagreements. The understanding of theses differences is of a high importance as the dark matter distribution, inferred from the rotation of the galaxies, is a test to some cosmological models.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal