Pardo Yanguas, Tamara
Pardo Yanguas, Tamara (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2025
Abstract: Numerosas observaciones astronómicas y cosmológicas correspondientes a distintas escalas y tiempos de la historia del Universo apuntan a la existencia de la materia oscura, la cual constituye aproximadamente el 27% del Universo. A pesar de los grandes esfuerzos experimentales, la naturaleza de la materia oscura sigue siendo desconocida. Entre los candidatos favoritos a materia oscura se encuentran los axiones y las partículas masivas débilmente interactuantes (WIMPs, por sus siglas en inglés), cuya detección puede ser abordada haciendo uso de técnicas diferentes mediante detectores situados en la Tierra.
Sólo el experimento DAMA/LIBRA, que utiliza detectores de NaI(Tl) en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso, ha reportado una señal positiva de materia oscura: una modulación anual en sus ritmos de detección compatible con la esperada para partículas de materia oscura del halo galáctico. Para verificar de forma independiente este resultado sin depender de modelos específicos de materia oscura o del halo, es esencial utilizar el mismo material blanco de yoduro de sodio (NaI). Este es el objetivo de ANAIS-112, que opera con 112,5 kg de centelleadores de NaI(Tl) desde el 3 de agosto de 2017 en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC). Esta tesis presenta el trabajo realizado dentro del experimento ANAIS-112, centrado en el análisis de datos y el desarrollo de simulaciones basadas en Geant4, con el objetivo de mejorar el entendimiento de los efectos sistemáticos que afectan a la comparación entre DAMA/LIBRA y ANAIS-112, y de aumentar la sensibilidad del experimento. En primer lugar, se ha trabajado en mejorar la comprensión de la respuesta de los cristales de ANAIS-112 a los retrocesos nucleares. Seis años de datos de ANAIS cuestionan de manera significativa la interpretación en términos de materia oscura de la señal observada por DAMA/LIBRA. Sin embargo, es necesario abordar las incertidumbres sistemáticas, especialmente las relacionadas con los factores de quenching (QFs) para el centelleo de los núcleos de sodio e yodo en NaI(Tl), para garantizar comparaciones rigurosas entre ANAIS,
DAMA/LIBRA y otros experimentos. Para ello, desde 2021 se han realizado calibraciones con neutrones in situ en ANAIS-112 en el LSC. El procedimiento de calibración se basa en la exposición de todo el conjunto de detectores de ANAIS a fuentes de neutrones de 252Cf.
Este trabajo ha comparado los datos obtenidos en dichas calibraciones con simulaciones específicas de neutrones basadas en Geant4. Además, las simulaciones de neutrones han puesto de manifiesto deficiencias en la implementación de ciertos procesos de decaimiento o secciones eficaces de neutrones en algunas versiones de Geant4. Este estudio ha permitido evaluar distintos modelos de QF. Las simulaciones han demostrado una alta sensibilidad al modelo de QF empleado, favoreciendo aquellos en los que el QF aumenta con la energía y desfavoreciendo los valores de QF asumidos por DAMA/LIBRA. Paralelamente, esta tesis ha contribuido a la mejora del modelo de fondo de ANAIS-112 mediante un ajuste multiparamétrico de sus diferentes componentes del fondo. Se ha realizado una revisión exhaustiva de las contribuciones consideradas en el modelo de fondo previo, lo que ha permitido lograr un acuerdo significativamente mejor en todos los observables analizados.
Posteriormente, se han realizado nuevas búsquedas de física con los datos de ANAIS-112.
En concreto, se ha llevado a cabo un reanálisis de la señal de modulación anual y una búsqueda de axiones solares utilizando la exposición acumulada de seis años del experimento.
Finalmente, esta tesis también incorpora el trabajo realizado durante una estancia de investigación en el experimento COSINUS, centrado en el modelado de fondo y en el análisis del impacto de las componentes del fondo interno en la sensibilidad del experimento.
Abstract (other lang.): Numerous astronomical and cosmological observations point to the existence of dark matter, which constitutes about 27% of the Universe. Despite extensive experimental efforts, the nature of DM remains unknown. Among the preferred dark matter candidates are axions and Weakly Interacting Massive Particles, which can be searched for using ground-based detectors. Only the DAMA/LIBRA experiment, using NaI(Tl) detectors at Gran Sasso National Laboratory, has reported a positive dark matter signal: an annual modulation in its detection rates compatible with the signal that would be produced by dark matter particles distributed in the galactic halo following the most standard halo models. To independently verify this result without relying on specific DM or halo models, using the same NaI target is essential. This is the goal of ANAIS-112, operating with 112.5 kg of NaI(Tl) scintillators since August 3, 2017, at the Canfranc Underground Laboratory (LSC). This thesis presents work conducted within the ANAIS-112 experiment, focusing on data analysis and the development of Geant4-based simulations, with the goal of reducing systematic effects and increasing the experimental sensitivity. Firstly, efforts have been directed towards improving the understanding of the ANAIS-112 crystals’ response to nuclear recoils. Six years of ANAIS data challenge the dark matter interpretation of the DAMA/LIBRA signal. However, systematic uncertainties, particularly related to the scintillation quenching factors (QFs) of sodium and iodine nuclei recoiling in NaI(Tl), must be addressed to ensure reliable comparisons between ANAIS, DAMA/LIBRA, and other experiments. For that purpose, onsite neutron calibrations in ANAIS-112 have been performed since 2021 at LSC. The calibration procedure is based on the exposure of the full detector array to 252Cf neutron sources. This work has compared the data from these calibrations with dedicated Geant4-based neutron simulations. Moreover, the neutron simulations have revealed deficiencies in the Geant4 implementation of certain decay processes or cross sections in some versions. This study has enabled the evaluation of different QF models. The simulations have proven highly sensitive to the QF used, favoring models in which the QF increases with energy, and disfavouring the values assumed by the DAMA collaboration. In parallel, this thesis has contributed to the improvement of the ANAIS-112 background model through a multiparametric fit of its various background components. An exhaustive review of the contributions considered in the previous background model has been performed, which has enabled a significantly better agreement in all the analyzed observables. Subsequently, new physics searches have been conducted using ANAIS-112 data. Specifically, a reanalysis of the annual modulation signal and a search for solar axions have been carried out employing the experiment’s six-year accumulated exposure. Finally, this thesis also includes the work conducted within the COSINUS experiment, focused on background modelling and the analysis of the impact of internal background components on the experiment’s sensitivity.
Sólo el experimento DAMA/LIBRA, que utiliza detectores de NaI(Tl) en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso, ha reportado una señal positiva de materia oscura: una modulación anual en sus ritmos de detección compatible con la esperada para partículas de materia oscura del halo galáctico. Para verificar de forma independiente este resultado sin depender de modelos específicos de materia oscura o del halo, es esencial utilizar el mismo material blanco de yoduro de sodio (NaI). Este es el objetivo de ANAIS-112, que opera con 112,5 kg de centelleadores de NaI(Tl) desde el 3 de agosto de 2017 en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC). Esta tesis presenta el trabajo realizado dentro del experimento ANAIS-112, centrado en el análisis de datos y el desarrollo de simulaciones basadas en Geant4, con el objetivo de mejorar el entendimiento de los efectos sistemáticos que afectan a la comparación entre DAMA/LIBRA y ANAIS-112, y de aumentar la sensibilidad del experimento. En primer lugar, se ha trabajado en mejorar la comprensión de la respuesta de los cristales de ANAIS-112 a los retrocesos nucleares. Seis años de datos de ANAIS cuestionan de manera significativa la interpretación en términos de materia oscura de la señal observada por DAMA/LIBRA. Sin embargo, es necesario abordar las incertidumbres sistemáticas, especialmente las relacionadas con los factores de quenching (QFs) para el centelleo de los núcleos de sodio e yodo en NaI(Tl), para garantizar comparaciones rigurosas entre ANAIS,
DAMA/LIBRA y otros experimentos. Para ello, desde 2021 se han realizado calibraciones con neutrones in situ en ANAIS-112 en el LSC. El procedimiento de calibración se basa en la exposición de todo el conjunto de detectores de ANAIS a fuentes de neutrones de 252Cf.
Este trabajo ha comparado los datos obtenidos en dichas calibraciones con simulaciones específicas de neutrones basadas en Geant4. Además, las simulaciones de neutrones han puesto de manifiesto deficiencias en la implementación de ciertos procesos de decaimiento o secciones eficaces de neutrones en algunas versiones de Geant4. Este estudio ha permitido evaluar distintos modelos de QF. Las simulaciones han demostrado una alta sensibilidad al modelo de QF empleado, favoreciendo aquellos en los que el QF aumenta con la energía y desfavoreciendo los valores de QF asumidos por DAMA/LIBRA. Paralelamente, esta tesis ha contribuido a la mejora del modelo de fondo de ANAIS-112 mediante un ajuste multiparamétrico de sus diferentes componentes del fondo. Se ha realizado una revisión exhaustiva de las contribuciones consideradas en el modelo de fondo previo, lo que ha permitido lograr un acuerdo significativamente mejor en todos los observables analizados.
Posteriormente, se han realizado nuevas búsquedas de física con los datos de ANAIS-112.
En concreto, se ha llevado a cabo un reanálisis de la señal de modulación anual y una búsqueda de axiones solares utilizando la exposición acumulada de seis años del experimento.
Finalmente, esta tesis también incorpora el trabajo realizado durante una estancia de investigación en el experimento COSINUS, centrado en el modelado de fondo y en el análisis del impacto de las componentes del fondo interno en la sensibilidad del experimento.
Abstract (other lang.): Numerous astronomical and cosmological observations point to the existence of dark matter, which constitutes about 27% of the Universe. Despite extensive experimental efforts, the nature of DM remains unknown. Among the preferred dark matter candidates are axions and Weakly Interacting Massive Particles, which can be searched for using ground-based detectors. Only the DAMA/LIBRA experiment, using NaI(Tl) detectors at Gran Sasso National Laboratory, has reported a positive dark matter signal: an annual modulation in its detection rates compatible with the signal that would be produced by dark matter particles distributed in the galactic halo following the most standard halo models. To independently verify this result without relying on specific DM or halo models, using the same NaI target is essential. This is the goal of ANAIS-112, operating with 112.5 kg of NaI(Tl) scintillators since August 3, 2017, at the Canfranc Underground Laboratory (LSC). This thesis presents work conducted within the ANAIS-112 experiment, focusing on data analysis and the development of Geant4-based simulations, with the goal of reducing systematic effects and increasing the experimental sensitivity. Firstly, efforts have been directed towards improving the understanding of the ANAIS-112 crystals’ response to nuclear recoils. Six years of ANAIS data challenge the dark matter interpretation of the DAMA/LIBRA signal. However, systematic uncertainties, particularly related to the scintillation quenching factors (QFs) of sodium and iodine nuclei recoiling in NaI(Tl), must be addressed to ensure reliable comparisons between ANAIS, DAMA/LIBRA, and other experiments. For that purpose, onsite neutron calibrations in ANAIS-112 have been performed since 2021 at LSC. The calibration procedure is based on the exposure of the full detector array to 252Cf neutron sources. This work has compared the data from these calibrations with dedicated Geant4-based neutron simulations. Moreover, the neutron simulations have revealed deficiencies in the Geant4 implementation of certain decay processes or cross sections in some versions. This study has enabled the evaluation of different QF models. The simulations have proven highly sensitive to the QF used, favoring models in which the QF increases with energy, and disfavouring the values assumed by the DAMA collaboration. In parallel, this thesis has contributed to the improvement of the ANAIS-112 background model through a multiparametric fit of its various background components. An exhaustive review of the contributions considered in the previous background model has been performed, which has enabled a significantly better agreement in all the analyzed observables. Subsequently, new physics searches have been conducted using ANAIS-112 data. Specifically, a reanalysis of the annual modulation signal and a search for solar axions have been carried out employing the experiment’s six-year accumulated exposure. Finally, this thesis also includes the work conducted within the COSINUS experiment, focused on background modelling and the analysis of the impact of internal background components on the experiment’s sensitivity.
Pal. clave: materia oscura ; anais-112 ; modulación anual ; yoduro de sodio ; factor de quenching
Titulación: Programa de Doctorado en Física
Plan(es): Plan 488
Knowledge area: Ciencias
Nota: Presentado: 24 11 2025
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2025
Contribution of the TFG/M to Sustainability: Garantizar una educación de calidad inclusiva y equitativa, y promover las oportunidades de aprendizaje permanente para todos
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Record created 2026-04-17, last modified 2026-04-17
