Background evaluation of the ANAIS dark matter experiment in(...).pdf

Background evaluation of the ANAIS dark matter experiment in different configurations: towards a final design

Villar Gómez, Patricia
Sarsa Sarsa, María Luisa (dir.) ; Cebrián Guajardo, Susana (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2016

Resumen: INTRODUCCIÓN Y MOTIVACIÓN DE LA TESIS Existen numerosas evidencias de que la mayor parte de la materia del Universo es "oscura", y diversos experimentos se han dedicado a su detección directa con diferentes blancos y técnicas. Hasta la fecha, sólo el experimento DAMA/LIBRA, en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso, Italia, ha reivindicado una señal positiva de modulación anual como la que se espera que produzcan las partículas de materia oscura que constituyen el halo de nuestra galaxia, que no es compatible ni con fondos convencionales ni con los variados efectos sistemáticos propuestos. El proyecto ANAIS, desarrollado por la Universidad de Zaragoza, tiene como objetivo la confirmación de la señal positiva de DAMA/LIBRA usando el mismo blanco y técnica de detección. DESARROLLO TEÓRICO ANAIS-112 usará 112.5 kg de NaI(Tl) ultrapuro en nueve detectores. Se ha llevado a cabo un extenso trabajo para caracterizar y cuantificar las contribuciones al fondo radiactivo de los diferentes prototipos considerados. En este trabajo se presentan los resultados de los cuatro primeros detectores fabricados por la compañía Alpha Spectra (D0-D3), basados en medidas en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc y simulaciones por Monte Carlo. CONCLUSIÓN Los modelos de fondo construidos para los detectores D0, D1 y D2, así como los resultados preliminares de D3, describen satisfactoriamente los datos medidos en diferentes condiciones de análisis. La inclusión de algunas hipótesis adicionales, como la presencia de isótopos cosmogénicos que no pueden ser cuantificados directamente o la contaminación parcial de 210Pb en la superficie, mejoran significativamente la concordancia del modelo con los datos reales. El detector D2 presenta el mejor fondo medido hasta la fecha, pero se espera mejorarlo todavía más en ANAIS-112 gracias al incremento del poder de rechazo en un montaje multimodular, que permita eliminar coincidencias, y un mayor control de la radiopureza de los módulos restantes. Además, se han evaluado las perspectivas de fondo para el experimento completo, teniendo en cuenta el diseño planeado para ANAIS-112, así como otros escenarios hipotéticos, como una matriz de detectores de NaI(Tl) correspondiente a 250 kg, o el uso de un veto de centelleo líquido. Finalmente, la sensibilidad de ANAIS en la búsqueda de la modulación anual de la señal de materia oscura ha sido evaluada en diferentes configuraciones experimentales y condiciones de fondo, confirmando que ANAIS-112 con el fondo ya obtenido en D2 podrá explorar la señal de DAMA/LIBRA. BIBLIOGRAFÍA - R. Bernabei, P. Belli, F. Cappella et al., Final model independent results of DAMA/LIBRA-phase 1 and perspectives of phase 2, Phys. Part. Nuclei 46, 138 (2015). - M. Martínez, Diseño de un prototipo para un experimento de detección directa de materia oscura mediante modulación anual con centelleadores de ioduro de sodio, Tesis Doctoral, Universidad de Zaragoza, 2006. - C. Cuesta et al., Analysis of the 40K contamination in NaI(Tl) crystals from different providers, Int. J. Mod. Phys. A 29, 1443010 (2014). - C. Cuesta et al., Bulk NaI(Tl) scintillation low energy events selection with the ANAIS-0 module, Eur. Phys. J. C 74, 3150 (2014). - C. Cuesta, ANAIS-0: Feasibility study for a 250 kg NaI(Tl) dark matter search experiment at the Canfranc Underground Laboratory, Tesis Doctoral, Universidad de Zaragoza (2013). - M.A. Oliván, Design, scale-up and characterization of the data acquisition system for the ANAIS dark matter experiment, Tesis Doctoral, Universidad de Zaragoza, (2016). - J. Amaré et al., Assessment of backgrounds of the ANAIS experiment for dark matter direct detection, Eur. Phys. J. C 76, 429 (2016).