SuperCDMS is a leading direct dark matter search experiment which uses solid state detectors (Ge crystals) at milliKelvin temperatures to look for nuclear recoils caused by dark matter interactions in the detector. ‘Weakly Interacting Massive Particles’ (WIMPs) are the most favoured dark matter candidate particles. SuperCDMS, like many other direct dark matter search experiments, primarily looks for WIMPs. The measurement of both the ionization and the lattice vibration (phonon) signals from an interaction in the detector allow it to discriminate against electron recoils which are the main source of background for WIMP detection. SuperCDMS currently operates about 9 kgs worth of germanium detectors at the Soudan underground lab in northern Minnesota. In its next phase, SuperCDMS SNOLAB, it plans to use 100-200 kg of target mass (Ge) which would allow it to probe more of the interesting and unexplored parameter space for WIMPs predicted by theoretical models. The SuperCDMS Queen’s Test Facility is a detector testing facility which is intended to serve detector testing and detector research and development purposes for the SuperCDMS experiment. A modified detector called the ‘HiZIP’ (Half-iZIP), which is reduced in complexity in comparison to the currently used iZIP (interleaved Z-sensitive Ionization and Phonon mediated) detectors, is studied in this thesis. The HiZIP detector design also serves to discriminate against background from multiple scatter events occurring close to the surfaces in a single detector. Studies carried out to compare the surface event leakage in the HiZIP detector using limited information from iZIP data taken at SuperCDMS test facility at UC Berkley produce a highly conservative upper limit of 5 out of 10,000 events at 90% confidence level. This upper limit is the best among many different HiZIP configurations that were investigated and is comparable to the upper limit calculated for an iZIP detector in the same way using the same data. A real HiZIP device operated at Queen’s Test Facility produced an exposure limited 90% upper limit of about 1 in 100 events for surface event leakage. The data used in these studies contain true nuclear recoil events from cosmogenic and ambient neutrons. This background was not subtracted in the calculation of the upper limits stated above and hence they are highly conservative. A surface event source was produced by depositing lead-210 from radon exposure onto a copper plate. This source was then used to take data for a surface event discrimination study of the HiZIP detector operated at Queen’s Test Facility. A study of the contribution of the noise from capacitive crosstalk between charge sensors in a HiZIP detector configuration was investigated, confirming the expectation that no significant drop in performance is to be expected due to this effect. / Thesis (Master, Physics, Engineering Physics and Astronomy) -- Queen's University, 2013-09-30 23:48:49.375

La matière sombre est considérée comme l'un des plus grands mystères dans la cosmologie moderne. En effet, on peut dire que l’on connaît plus sur ce que la matière sombre n'est pas que sur sa vraie nature. La collaboration SuperCDMS travaille sans répit pour réussir à faire la première détection directe de la matière sombre. À cet effet, la collaboration a eu recours à plusieurs expériences et simulations à diverses échelles, pouvant aller de l'usage d'un seul détecteur semi-conducteur, jusqu'à la création d'expériences à grande échelle qui cherchent à faire cette première détection directe de la matière sombre. Dans ce texte, on verra différentes méthodes pour nous aider à mieux comprendre les erreurs systématiques liées à la position du détecteur utilisé dans le cadre des expériences IMPACT@TUNL et IMPACT@MTL, soit l'usage des simulations et de la radiologie industrielle respectivement. On verra aussi comment l'implémentation de la méthode de réduction de variance connue comme échantillonnage préférentiel, peut aider à améliorer l'exécution des simulations de l'expérience à grande échelle planifiée pour le laboratoire canadien SNOLAB. En outre, on verra comment l'échantillonnage préférentiel s'avère utile non seulement pour mieux profiter des ressources disponibles pour la collaboration, mais aussi pour avoir une meilleure compréhension des source de bruits de fond qui seront présentes à SNOLAB, tels que les signaux générés par la désintégration radioactive de divers isotopes. / Dark matter is one of the biggest mysteries of modern-day cosmology. Simply put, we know much more about what it is not, rather than what it actually is. The SuperCDMS collaboration works relentlessly toward making the first direct detection of this type of matter. To this effect, multiple experiments and simulations have been performed, ranging from small-scale testing of the detectors to large-scale, long-term experiments, looking for the actual detection of dark matter. In this work, I will analyze different methods to help understand the systematic errors linked to detector position in regard to the small-scale experiments IMPACT@TUNL and IMPACT@MTL, through simulation and industrial radiography respectively. We will also see how the implementation of the variance reduction method known as importance sampling can be used to improve the simulation performance of the large-scale experiment in the Canadian laboratory SNOLAB. Additionally, we will see how this method can provide not only better management of the computing resources available to the collaboration, but also how it can be used to better the understanding of the background noises, such as the signals generated by radioactive decay of different isotopes, that will be present at SNOLAB.

L'un des grands mystères de la physique qu'il nous reste à élucider est d'identifier de quoi est composée la matière sombre. L'expérience SuperCDMS a décidé de se pencher sur la question il y a plus de 20 ans. Nous utilisons des détecteurs semi-conducteurs qui mesurent le signal de phonons engendré par des événements de recul.Nous mesurons également l'énergie déposée sous forme de d'ionisation à l'aide de l'effet Neganov-Trofimov-Luke (NTL) qui produit des phonons d'énergie totale proportionnelle à l'énergie d'ionisation initiale. Pour ce faire, nous appliquons un voltage sur le détecteur qui amplifie également le signal par un facteur proportionnel au voltage appliqué. Nous sommes allés à TUNL en Caroline du Nord, afin de calibrer notre détecteur HVeV fait d'un cristal de silicium. Le but de cette calibration est de déterminer le taux d'ionisation produit par des reculs nucléaires produits par le faisceau de neutrons fourni par TUNL. Cette mesure est importante puisque le taux d'ionisation est atténué pour le recul nucléaire par rapport au recul électronique et qu'il détermine l'amplification du signal par l'effet NTL. Nous avons utilisé des scintillateurs liquides couplés à des PMTs afin de déterminer l'énergie déposée dans le HVeV en les positionnant à des angles de diffusion précis. Nous avons jusqu'ici uniquement effectué l'analyse des données pour lesquelles il n'y a pas d'amplification NTL. Par conséquant, nous ne pouvons pas encore déterminer le taux d'ionisation. Cependant, nous concluons que notre méthode d'analyse est valide et que l'énergie déposée dans le HVeV est bien celle qui correspond aux angles de diffusion auxquels nous avions placé nos PMTs. / One of the biggest mysteries left to be solved in physics is the question of what dark matter is made of. The SuperCDMS experiment decided to explore this question and has done so for the last 20 years. We use semiconducting detectors that measure phonon signals generated by recoils. The HVeV detectors also use the Neganov-Trofimov-Luke (NTL) effect to generate a phonon signal proportional to the ionization signal that is also produced by the recoil. To do so, we apply a voltage bias the HVeV detector, which also amplify the signal by a factor proportional to the bias. We went to TUNL in North Carolina to calibrate our HVeV detector, made of a silicon crystal. The goal of the experiment is to determine the ionization yield of the nuclear recoil produced by the neutron beam provided to us by TUNL. This measurement is important since the ionization yield is dampened for nuclear recoil compared to electronic recoil and is linked to the gain of the signal in the HVeV. We use liquid scintillators coupled to PMTs to determine the energy deposited in the HVeV using the scattering angle between the HVeV and the chosen position of the PMTs. At this point, we only have the analyses for the data with no NTL gain, meaning that we do not yet have a measure for the ionization yield. Still, this analysis allowed us to validate our analysis method and the energy deposited in the HVeV for coincident events with PMTs of different position.

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.

SuperCDMS (Super Cryogenic Dark Matter Search) est une expérience de détection directe de la matière sombre qui utilise des détecteurs cryogéniques au silicium et au germanium capables de mesurer des dépôts d'énergie aussi petits que quelques eV. L'un des défis les plus importants de la recherche de la matière sombre est de réussir à bloquer les nombreux bruits de fond. Une de ces sources de bruit de fond est la production de plasmons par la diffusion Compton, un phénomène ne déposant généralement qu'une dizaine d’eV et affectant surtout les détecteurs à semi-conducteurs. Dans cet ouvrage, nous allons estimer le taux de production de ces plasmons et démontrer qu'il est primordial de tenir compte de ce bruit de fond avant de pouvoir affirmer avoir trouvé la matière sombre. Un autre enjeu majeur de SuperCDMS est l'étalonnage de ses détecteurs à très faible énergie. En effet, la matière sombre est supposée interagir avec le noyau des atomes. Toutefois, il n'existe présentement aucune donnée sur le degré d'ionisation pour des reculs nucléaires de moins de 0,7 keVnr dans le silicium, où keVnr représente l'énergie déposée en keV lors d'une collision nucléaire (nr). Dans la deuxième partie de cet ouvrage, nous allons montrer comment l'expérience IMPACT (Ionization Yield Measurement with Phonons At Cryogenic Temperature), une sous-expérience de SuperCDMS composée de membres de SuperCDMS, compte mesurer ce degré d'ionisation pour des reculs nucléaires entre 0,1 et 4 keVnr dans le silicium. Connaître ce degré d'ionisation est d'une grande importance pour SuperCDMS car il permet de reconstruire l'énergie déposée par une particule de matière sombre lorsqu'elle effectue une collision nucléaire dans ses détecteurs de matière sombre. / SuperCDMS (Super Cryogenic Dark Matter Search) is an experiment for the direct detection of dark matter that uses cryogenic silicon and germanium detectors which can measure energy deposition as low as a few eV. One of the biggest challenges in the search for dark matter is to block the various background events. One of those background source is the excitation of plasmons by Compton scattering, a phenomenon that generally deposits about ten eV and which affects mainly semiconductor detectors. In this work, we will estimate the production rate of plasmons and argue that we must understand this background in order to claim evidence of dark matter. One of SuperCDMS's other challenges is the calibration of its detectors at very low energy. Indeed, dark matter is known to interact with the atom's nucleus, but unfortunately, there is no data at the moment about the ionization yield of nuclear recoils below 0,7 keVnr in silicon, where keVnr is the energy deposited in keV in a nuclear recoil (nr). In the second part of this work, we will show how the IMPACT experiment (Ionization yield Measurement with Phonons At Cryogenic Temperature), a sub-experiment of SuperCDMS composed of members of SuperCDMS, aims to measure the ionization yield for nuclear recoils between 0,1 and 4 keVnr in silicon. It is important for SuperCDMS to know this ionization yield to reconstruct the energy deposited in their detectors by a nuclear recoil from a dark matter particle.