Estudio Monte Carlo sobre la calibración en energía para el experimento Argon Dark Matter (Monte Carlo studies about the energy calibration for the Argon Dark Matter) experiment

Abstract

The aim of the present work is the study of the energy calibration with external radioactive sources for the Argon Dark Matter (ArDM) experiment, which consists of a double-phase argon detector for direct dark matter searches. This experiment, with a ton-scale sensitive volume, has been conceived to detect nuclear recoils produced by dark matter particles scattering off target nuclei. The advantage of having a double-phase detection technique lies on the fact that both scintillation light and ionization charge can be measured, providing a powerful discrimination method between nuclear recoils and background events. In this context, the calibration with external gamma sources is necessary in order to establish the energy scale, monitoring at the same time the detector stability. In the introduction we briefly present the different experimental evidences of dark matter and the requirements that a good particle candidate should fulfill according to the astrophysical observations. Moreover, we will introduce the supersymmetry, the extension of the Standard Model of particles which provides one WIMP candidate called neutralino. Throughout the following sections, special attention will be dedicated to the different techniques used for dark matter detection, pointing out the ArDM detector concept and technology. Finally, the simulation software and the results of the energy calibration studies will be presented.

El propósito del presente trabajo es el estudio de la calibración en energía con fuentes radioactivas externas para el experimento Argon Dark Matter (ArDM), el cual consiste en un detector de argón de doble fase para búsqueda directa de materia oscura. Este experimento, con un volumen sensible de la escala de la tonelada, ha sido concebido para detectar retrocesos nucleares producidos en el proceso de scattering de partículas de materia oscura con núcleos blanco. La ventaja de tener una técnica de detección de doble fase reside en el hecho de que tanto la señal de centelleo como la carga de ionización pueden ser medidas, proporcionando un potente método de discriminación entre retrocesos nucleares y sucesos de fondo. En este contexto, la calibración con fuentes gamma externas es necesaria con el objeto de establecer la escala en energía al mismo tiempo que se monitoriza la estabilidad del detector. En la introducción se presentan brevemente las diferentes evidencias experimentales de materia oscura y los requisitos que un buen candidato debería satisfacer de acuerdo con las observaciones astrofísicas. Además, se introducirá la supersimetría, la extensión del Modelo Estándar de partículas que proporciona un candidato a WIMP llamado neutralino. A lo largo de las siguientes secciones, se dedicará especial atención a las diferentes técnicas empleadas para la detección de materia oscura, indicando el concepto y la tecnología del detector ArDM. Finalmente, el software de simulación y los resultados del estudio de la calibración en energía serán presentados.