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One of the most enduring questions in modern physics is the dark matter problem. Measurements of galactic rotation curves taken in the middle of the twentieth century suggest that there are large spherical halos of unseen matter permeating and surrounding most galaxies, stretching far beyond their visible extents. Although some of this mass discrepancy can be attributed to sources like primordial black holes or Massive Astrophysical Compact Halo Objects (MACHOs), these theories can only explain a small percentage of this "missing matter". One approach which could account for the entirety of this missing mass is the theory of Weakly Interacting Massive Particles, or "WIMPs". As their name suggests, WIMPs interact only through the weak nuclear force and gravity and are quite massive (100 GeV/c2 to 1 TeV/c2). These particles have very small cross sections (≈ 10−39 cm2) with nucleons and therefore interact only very rarely with "normal" baryonic matter. To directly detect a dark matter particle, one needs to overcome this small cross-section barrier. In many experiments, this is achieved by utilizing detectors filled with liquid noble elements, which have excellent particle identification capabilities and are very low-background, allowing potential WIMP signals to be more easily distinguished from detector noise. These experiments also often apply uniform electric fields across their liquid volumes, turning the apparatus into Time Projection Chambers or "TPCs". TPCs can accurately determine the location of an interaction in the liquid volume (often simply called an "event") along the direction of the electric field. In DarkSide-50 ("DS-50" for short), the electric field is aligned antiparallel to the z-axis of the detector, and so the depth of an event can be determined to a considerable degree of accuracy by measuring the time between the first and second scintillation signals ("S1" and "S2"), which are generated at the interaction point itself and in a small gas pocket above the liquid region, respectively. One of the lingering challenges in this experiment, however, is the determination of an event’s position along the other two spatial dimensions, that is, its transverse or "xy" position. Some liquid noble element TPCs have achieved remarkably accurate event position reconstructions, typically using the relative amounts of S2 light collected by Photo-Multiplier Tubes ("PMTs") as the input data to their reconstruction algorithms. This approach has been particularly challenging in DarkSide-50, partly due to unexpected asymmetries in the detector, and partly due to the design of the detector itself. A variety of xy-Reconstruction methods ("xy methods" for short) have come and gone in DS- 50, with only a few of them providing useful results. The xy method described in this dissertation is a two-step Principal Component Analysis / Multi-Dimensional Fit (PCAMDF) reconstruction. In a nutshell, this method develops a functional mapping from the 19-dimensional space of the signal received by the PMTs at the "top" (or the "anode" end) of the DarkSide-50 TPC to each of the transverse coordinates, x and y. PCAMDF is a low-level "machine learning" algorithm, and as such, needs to be "trained" with a sample of representative events; in this case, these are provided by the DarkSide geant4-based Monte Carlo, g4ds. In this work, a thorough description of the PCAMDF xy-Reconstruction method is provided along with an analysis of its performance on MC events and data. The method is applied to several classes of data events, including coincident decays, external gamma rays from calibration sources, and both atmospheric argon "AAr" and underground argon "UAr". Discrepancies between the MC and data are explored, and fiducial volume cuts are calculated. Finally, a novel method is proposed for finding the accuracy of the PCAMDF reconstruction on data by using the asymmetry of the S2 light collected on the anode and cathode PMT arrays as a function of xy. / Physics

La matière sombre est un mystère dans le domaine de l’astrophysique depuis déjà plusieurs années. De nombreuses observations montrent que jusqu’à 85 % de la masse gravitationnelle totale de l’univers serait composée de cette matière de nature inconnue. Une théorie expliquant cette masse manquante considérerait les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), particules stables, non chargées, prédites par des extensions du modèle standard, comme candidats. Le projet PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques à la matière Sombre) est une expérience qui tente de détecter directement le WIMP. Le projet utilise des détecteurs à gouttelettes de fréon (C4F10) surchauffées. La collision entre un WIMP et le noyau de fluor crée un recul nucléaire qui cause à son tour une transition de phase de la gouttelette liquide à une bulle gazeuse. Le bruit de ce phénomène est alors capté par des senseurs piézoélectriques montés sur les parois des détecteurs. Le WIMP n’est cependant pas la seule particule pouvant causer une telle transition de phase. D’autres particules environnantes peuvent former des bulles, telles les particules alpha où même des rayons gamma . Le système d’acquisition de données (DAQ) est aussi en proie à du bruit électronique qui peut être enregistré, ainsi que sensible à du bruit acoustique extérieur au détecteur. Finalement, des fractures dans le polymère qui tient les gouttelettes en place peut également causer des transitions de phase spontanées. Il faut donc minimiser l’impact de tous ces différents bruit de fond. La pureté du matériel utilisé dans la fabrication des détecteurs devient alors très importante. On fait aussi appel à des méthodes qui impliquent l’utilisation de variables de discrimination développées dans le but d’améliorer les limites d’exclusion de détection du WIMP. / Dark matter has been a mystery for astrophysicists for years now. Numerous observations have shown that up to 85 % of the gravitation mass of the universe is made of this unknown type of matter. One of the theories explaining this missing mass problem considers WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), neutral stable particles predicted by extensions of the standard model, as possible candidates. The PICASSO experiment (Project In Canada to Search for Supersymetric Objects) tries to detect this particle directly. The technique uses superheated droplet detectors, with freon (C4F10) as the active medium. When a WIMP hits the fluorine nucleus, it creates a nuclear recoil, which in turn triggers a phase transition from a liquid droplet to a gaseous bubble. The acoustic noise of this event is then recorded by piezoelectric transducers mounted on the walls of the detector. There are however other particles than the WIMPs that can trigger this phase transition. Alpha particles, or even gamma rays can create bubbles. The Data Acquisition System (DAQ) is also subject to electronic noise that can be picked up, and to acoustic noise coming from an exterior source. Fractures in the polymer holding the droplets in place can also trigger spontaneous phase transitions. There is therefore a need to minimize the impact of these background noises. The level of purity of the ingredients used in detector fabrication then becomes very important. Digital processing methods are also used to develop discrimination variables that improve the limits of detection of the WIMP.

Le détecteur proportionnel sphérique gazeux, SPC (Spherical Proportional Counter), est un nouveau concept de détecteur de particules. Ses principales caractéristiques sont : un seuil très bas en énergie indépendant du volume (faible capacité électronique), une bonne résolution en énergie, une grande robustesse et une seule voie de lecture. SEDINE, un détecteur bas bruit de fond, destiné à la recherche de matière noire légère, a été fabriqué et installé au Laboratoire Souterrain de Modane. Il est actuellement opérationnel et vise à mesurer les évènements rares à bas seuil en énergie. La sensibilité dans la détection d’événements rares étant à basse énergie directement corrélée au niveau du bruit de fond du détecteur, la diminution du seuil en énergie ainsi que celle du bruit de fond ont été la problématique principale de cette thèse. Un effort important a été consacré à la mise en opération du dispositif expérimental. Plusieurs paramètres de détection ont été optimisés : homogénéité du champ électrique dans le volume de l’enceinte, tenue aux étincelles, niveau du bruit de fond électronique et l’étanchéité du détecteur. Le détecteur a été optimisé pour assurer un fonctionnement avec un gain stable à haute pression. La modification du blindage, les nettoyages de l’enceinte du détecteur et l’ajout d’une tente anti-Radon ont permis de réduire significativement le bruit de fond de SEDINE. Les progrès accomplis ont permis d’augmenter la sensibilité du détecteur à basse énergie à une valeur comparable, pour des WIMPs à basse masse, aux autres expériences de recherche souterraines. Nous présentons donc des résultats avec un bruit de fond mesuré, dans la région du keV, qui nous permet de donner une figure d’exclusion compétitive pour la production de la matière noire légère. / The Spherical gaseous detector (or Spherical Proportional Counter, SPC) is a novel type of a particle detector, with a broad range of applications. Its main features in- clude a very low energy threshold which is independent of the volume (due to its very low capacitance), a good energy resolution, robustness and a single detection readout channel. SEDINE, a low background detector installed at the underground site of Laboratoire Souterrain de Modane is currently being operated and aims at measuring events at a very low energy threshold, around 40 eV. The sensitivity for the rare events detection at low energy is correlated to the detector background and to the decreasing the level of energy threshold, which was the main point of this thesis. A major effort has been devoted to the operating of the experimental detector. Several detection parameters were optimized: the electric field homogeneity in the sphere, keeping clear of sparks, the electronic noise level and the leak rate of the detector. The detector is optimized for operation with a high pressure stable gain. The modification of the shield, cleanings of the detector and the addition of an anti-Radon tent have significantly reduced the background of SEDINE. Progress has increased the sensitivity of the detector at low energy up to a value comparable to the results other underground research experiences for the low mass WIMPs. We will present the results with a measured background in the region of keV, which has allowed us to show a competitive figure of exclusion for the production of light dark matter.

La matière sombre est un mystère dans le domaine de l’astrophysique depuis déjà plusieurs années. De nombreuses observations montrent que jusqu’à 85 % de la masse gravitationnelle totale de l’univers serait composée de cette matière de nature inconnue. Une théorie expliquant cette masse manquante considérerait les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), particules stables, non chargées, prédites par des extensions du modèle standard, comme candidats. Le projet PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques à la matière Sombre) est une expérience qui tente de détecter directement le WIMP. Le projet utilise des détecteurs à gouttelettes de fréon (C4F10) surchauffées. La collision entre un WIMP et le noyau de fluor crée un recul nucléaire qui cause à son tour une transition de phase de la gouttelette liquide à une bulle gazeuse. Le bruit de ce phénomène est alors capté par des senseurs piézoélectriques montés sur les parois des détecteurs. Le WIMP n’est cependant pas la seule particule pouvant causer une telle transition de phase. D’autres particules environnantes peuvent former des bulles, telles les particules alpha où même des rayons gamma . Le système d’acquisition de données (DAQ) est aussi en proie à du bruit électronique qui peut être enregistré, ainsi que sensible à du bruit acoustique extérieur au détecteur. Finalement, des fractures dans le polymère qui tient les gouttelettes en place peut également causer des transitions de phase spontanées. Il faut donc minimiser l’impact de tous ces différents bruit de fond. La pureté du matériel utilisé dans la fabrication des détecteurs devient alors très importante. On fait aussi appel à des méthodes qui impliquent l’utilisation de variables de discrimination développées dans le but d’améliorer les limites d’exclusion de détection du WIMP. / Dark matter has been a mystery for astrophysicists for years now. Numerous observations have shown that up to 85 % of the gravitation mass of the universe is made of this unknown type of matter. One of the theories explaining this missing mass problem considers WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), neutral stable particles predicted by extensions of the standard model, as possible candidates. The PICASSO experiment (Project In Canada to Search for Supersymetric Objects) tries to detect this particle directly. The technique uses superheated droplet detectors, with freon (C4F10) as the active medium. When a WIMP hits the fluorine nucleus, it creates a nuclear recoil, which in turn triggers a phase transition from a liquid droplet to a gaseous bubble. The acoustic noise of this event is then recorded by piezoelectric transducers mounted on the walls of the detector. There are however other particles than the WIMPs that can trigger this phase transition. Alpha particles, or even gamma rays can create bubbles. The Data Acquisition System (DAQ) is also subject to electronic noise that can be picked up, and to acoustic noise coming from an exterior source. Fractures in the polymer holding the droplets in place can also trigger spontaneous phase transitions. There is therefore a need to minimize the impact of these background noises. The level of purity of the ingredients used in detector fabrication then becomes very important. Digital processing methods are also used to develop discrimination variables that improve the limits of detection of the WIMP.

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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.

Une des questions majeures de la physique moderne est la détermination de la nature de la matière noire non-baryonique. Les expériences de détection directe de WIMPs (acronyme signifiant particules massives interagissant faiblement) comme EDELWEISS testent l'hypothèse que celle-ci est composée de particules (neutralino) prédites par la supersymétrie et ayant une section efficace d'interaction avec les nucléons d'environ 10-8 picobarn. Pour ceci, EDELWEISS utilise des détecteurs cryogéniques en germanium ultra-pur à double composante ionisation/chaleur, ce qui permet la discrimination des reculs nucléaires attendus pour les WIMPs des reculs électroniques induits par les particules du bruit de fond radioactif. La principale limitation de cette méthode provient des évènements proches de la surface des détecteurs (dus notamment aux betas) qui peuvent être confondus avec des reculs nucléaires. La solution présentée dans cette thèse est l'utilisation de détecteurs à grilles coplanaires pour le rejet des évènements de surface sur la base des signaux d'ionisation. Nous décrivons le principe de ces détecteurs, la réalisation d'un prototype et son étude : tests pratiqués avec différentes sources radioactives en laboratoire de surface puis sur le site-même de l'expérience au Laboratoire Souterrain de Modane. Les résultats expérimentaux sont analysés en détail et comparés à une modélisation approfondie des signaux attendus pour les diverses populations d'évènements. Le pouvoir de rejet des évènements gamma et des évènements de surface betas obtenu démontre la possibilité d'atteindre au moins 10-8 picobarn dans le cadre de l'expérience EDELWEISS II qui a retenu ce type de détecteur pour l'avenir.