Highlights

Recent News from IN2P3 teams :

• 2024: CPPM+APC main editors of DarkSide-20k prospects for low mass particles
• 2023:
  • Report at IN2P3 Scientific council (Oct. 2023): https://www.in2p3.cnrs.fr/fr/le-conseil-scientifique-de-lin2p3
  • FDR of external source calibration system successfully passed (Oct 2023)
  • CPPM+APC ANR FIDAR (350 keuros for 2 PhD students) accepted
  • Master project DarkSide founded at IN2P3
• 2022: APC+CPPM main editors of the updated low mass dark matter search with DarkSide-50 (IN2P3 news)
• 2019:
  • CPPM responsible of DarkSide-20k external source calibration system
  • CPPM joins DarkSide-20k
• 2018: APC+LPNHE main editors of the low mass dark matter search with DarkSide-50 (IN2P3 news)
• 2017: APC responsible of DarkSide-20k offline and simulation
• 2016:
  • APC main contributor to GEANT4 simulation package of the DarkSide-50 detector (publication)
  • DarkSide Master Project at IN2P3
• 2014: LPNHE joins DarkSide collaboration
• 2012: APC joins DarkSide collaboration

Publications with main contribution from IN2P3

• DarkSide-20k sensitivity to light dark matter particles, DarkSide Collaboration, https://arxiv.org/abs/2407.05813
• Search for dark matter particle interactions with electron final states with DarkSide-50, DarkSide Collaboration, Phys.Rev.Lett. 130 (2023) 10, 101002
• Search for dark matter-nucleon interactions via Migdal effect with DarkSide-50, DarkSide Collaboration, Phys.Rev.Lett. 130 (2023) 10, 101001
• Search for low-mass dark matter WIMPs with 12 ton-day exposure of DarkSide-50, DarkSide Collaboration, Phys.Rev.D 107 (2023) 6, 063001
• Characterization of the scintillation time response of liquid argon detectors for dark matter search, P. Agnes et al, JINST 16 (2021) 11, P11026
• Calibration of the liquid argon ionization response to low energy electronic and nuclear recoils with DarkSide-50, DarkSide Collaboration, Phys.Rev.D 104 (2021) 8, 082005
• Sensitivity of future liquid argon dark matter search experiments to core-collapse supernova neutrinos, DarkSide Collaboration, JCAP 03 (2021) 043
• Low-mass Dark Matter Search with the DarkSide-50 Experiment, DarkSide Collaboration, Phys. Rev. Lett. 121 (2018) 081307
• Constraints on Sub-GeV Dark Matter-Electron Scattering from the DarkSide-50 Experiment, DarkSide Collaboration, Phys. Rev. Lett. 121, 111303 (2018)
• DarkSide-50 532-day Dark Matter Search with Low-Radioactivity Argon, DarkSide Collaboration, Phys. Rev. D 98 (2018) 102006
• Electroluminescence pulse shape and electron diffusion in liquid argon measured in a dual-phase TPC, DarkSide Collaboration, NIM A904 (2018) 23-34
• Measurement of the liquid argon energy response to nuclear and electronic recoils, P. Agnes et al. (ARIS Collaboration), Phys. Rev. D97 (2018) 11 112005
• Simulation of argon response and light detection in the DarkSide-50 dual phase TPC, DarkSide Collaboration, JINST 12 (2017) P10015
• CALIS – a CALibration Insertion System for the DarkSide-50 dark matter search experiment, DarkSide Collaboration, JINST 12 (2017) 12 T12004
• Solar neutrino detection in a large volume double-phase liquid argon experiment, D. Franco et al. JCAP 1608 (2016) 8, 017
• Results from the first use of low radioactivity argon in a dark matter search, DarkSide Collaboration, Phys. Rev. D 93, 081101 (2016)
• First Results from the DarkSide-50 Dark Matter Experiment at Laboratori Nazionali del Gran Sasso, DarkSide Collaboration, Phys. Lett. B 743 (2015) 456

Darkside à l’IN2P3 [English version at this link]

La détection directe de la matière noire est un des sujet de recherche de l’institut de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) du centre national de la recherche scientifique (CNRS).
Trois équipes de l’IN2P3, venant du laboratoire Astroparticules et Cosmologie (APC, Paris), du centre de physique des particules de Marseille (CPPM) et du laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies (LPNHE, Paris), préparent la construction du détecteur DarkSide-20k qui sera installé Dans les Abruzzes au laboratoire national du Gran Sasso en Italie. DarkSide-20k sera sensible au passage de particules de matière noire et pourrait les détecter d’ici la fin de cette décennie.
Nous sommes une douzaine de physiciens, ingénieurs et étudiants de ces trois laboratoires engagés à construire le détecteur DarkSide-20k puis à le faire fonctionner. Nous avons choisi de nous concentrer sur deux thèmes principaux: la reconstruction des événements pour identifier au mieux le signal et éliminer les bruits de fond; le système d’étalonnage. La responsabilité du software de l’expérience est assurée par un physicien de l’APC et nous étudions comment protéger le détecteur de la contamination par le radon.
Pour plus de détails sur nos travaux:
Activités du groupe de l’APC: lien
Activités du groupe du CPPM: lien
Une équipe venant de l’Ecole des Mines de Paris participe aussi à la conception de DarkSide.

La conception de DS-20k est l’aboutissement d’un long travail qui a démarré avec DS-10 puis DS-50 et DEAP-3600. En particulier, les équipes françaises ont développé la simulation détaillé de la réponse du détecteur qui permet de décrire précisément les données de DS50. La conception de DS20k béneficie pleinement de cette connaissance.

En quelques mots, nos motivations pour cette recherche: la matière noire et le détecteur.

La matière noire

Un faisceau d’observations astronomiques, telles que les courbes de rotation des galaxies, le fort lentille gravitationnel ou l’anisotropie du fond cosmologique diffus, indique que la matière connue ne contribue que pour une petite portion du contenu masse-énergie de l’univers. Cette indication est interprétée par l’existence de la matière noire qui serait composée de particules élémentaires non encore identifiées. La détection directe de telles particules constituerait une découverte extraordinaire, ouvrant la porte sur l’étude de l’univers noir et la compréhension de la physique au delà du modèle standard. La particule massive à faible interaction, le WIMP, est un des candidats les plus justifié pour décrire la matière noire. Il serait une relique thermique du Big Bang dont l’échelle d’interaction est inférieure à l’interaction électro-faible et une masse de l’ordre du TeV/c2.
Cette hypothèse du WIMP comme candidat à la matière noire est renforcée par l’omniprésence de particules de type WIMP dans les extensions du modèle standard.
Le déplacement de halos galactiques de WIMPS au travers d’un détecteur sur terre pourrait résulter dans des collisions élastiques WIMP-noyau détectables avec un détecteur à très bas seuil et bruits de fond. Un tel détecteur doit être capable d’identifier sans ambiguïté un petit nombre de telles interactions WIMP-noyau pendant une très longue exposition.

Le détecteur DarkSide

La collaboration Global Argon Dark Matter Collaboration (GADMC) est engagée dans la conception, l’assemblage, l’installation, la mise en route et le fonctionnement de l’expérience DS-20k dans le hall C du grand laboratoire national souterrain du Gran Sasso dans les Abruzzes en Italie (LNGS).
DS-20k est conçu pour observer la diffusion de particules de matière noire par les atomes d’argon de la cible d’argon liquide. Le signal produit par des particules de matière noire telles que les WIMP est le recul d’un noyau qui va induire le dépôt d’une dizaine à plusieurs centaines de keV d’énergie dans l’argon. Le détecteur est conçu pour observer cette énergie.
Le détecteur est conçu pour fonctionner au moins dix ans en maintenant un niveau négligeable de bruit de fond instrumental dans la région de recherche du WIMP. Le bruit de fond dominant pour notre recherche de matière noire est la diffusion de neutrino sur les noyaux d’argon.

Le cœur du détecteur est chambre à projection temporelle (TPC) à deux phases de 51.1 tonnes d’argon liquide équipée pour détecter les photons de scintillation de l’argon et les électrons d’ionisation. L’argon de la TPC provient d’une mine souterraine (Par) où il a été protégé des rayons cosmiques et contient ainsi une fraction réduite de l’isotope ³⁹Ar , qui est un émetteur β source de bruit de fond. La collaboration DS-50, prédécesseur de DS-20k, a montré que la concentration d’³⁹Ar, est ainsi réduite par un facteur 1000 par rapport à l’argon (Aar) atmosphérique standard.