Búsqueda de materia oscura mediante la medición de producción de ionización por retrocesos nucleares con el detector DAMIC - Izraelevitch, Federico Hernán (2017)
Desde su planteo inicial, alrededor del año 1930, el problema de la materia oscurapermanece como uno de los mayores problemas abiertos en Física. Actualmente,existe un gran número de evidencias observacionales, astrofísicas y cosmológicas, quemotivan la hipótesis de la existencia de una forma de materia distinta a la materiaordinaria, llamada materia oscura. A pesar del esfuerzo realizado para detectarla, sunaturaleza permanece ignota. Las búsquedas por detección directa comenzaron enfocadasen extensiones supersimétricas mínimas del modelo estándar, que predicenpartículas con masas de ~ 100 GeV/c². Los límites de exclusión impuestos por losexperimentos de búsqueda, los nulos resultados de las búsquedas de supersimetríaen el Large Hadron Collider, las afirmaciones de detección de algunas colaboracionescomo DAMA, y el desarrollo de nuevos modelos de partículas de materia oscuraliviana, motivó a la comunidad a buscar partículas de materia oscura con masas pordebajo de los ~ 10 GeV/c². Se piensa que las partículas de materia oscura interactúan coherentemente (en forma elástica) con los núcleos produciendo retrocesosnucleares. Por consideraciones cinemáticas, cuanto menor sea la masa de la partículade materia oscura, menor será la energía del retroceso nuclear a detectar. El experimento DAMIC, que enmarca este trabajo de tesis, utiliza sensores CCDs (Charge-Coupled Devices) de grado científico como detectores para la búsqueda demateria oscura. En su programa de R&D, entre 2011 y 2015, ha demostrado laoperación de los CCDs con el umbral más bajo alcanzado por la comunidad dedetección directa. Esto ha motivado el desarrollo de un detector masivo, llamado DAMIC100, que buscará materia oscura de baja masa en una zona del espacio defases no explorada aún. En los detectores semiconductores, un retroceso nucleardeposita su energía produciendo ionización y fonones. Dado que el detector DAMICsolo es capaz de medir la señal de ionización, resulta fundamental determinar laionización producida por los retrocesos nucleares para la interpretación de los datosadquiridos en los experimentos de búsqueda de partículas de materia oscura. En este trabajo describimos el problema de la materia oscura, detallando laevidencia experimental que motiva su hipótesis. Explicamos los métodos utilizadospara su búsqueda y discutimos el estado actual de estos efuerzos. Describimosel experimento DAMIC, su principio de funcionamiento, características y el arregloexperimental utilizado en el laboratorio subterráneo SNOLAB. Discutimos la importanciade la calibración del detector mediante la medición de la ionización producidapor retrocesos nucleares y revisamos los antecedentes en la literatura. Finalmente,describimos un experimento de dispersión elástica de neutrones realizado para medirla eficiencia de ionización a bajas energías, y discutimos los resultados obtenidos.