Direct dark matter detection using liquid xenon detectors

Abstract

The writting of this thesis was motivated by di culties arising in the operation of dual-phase detectors, which we have been using for dark matter detection. In Chapter 1, the dark matter problem is illustrated and the well-motivated WIMP particle is presented. In Chapter 2, proposed techniques for detection of this particle are discussed. In particular, the ZEPLIN III detector is introduced. This is a dualphase noble gas detector, that su ers from several di culties which arise in this general class of detectors. In particular, scintillation ef- ciency of liqui ed noble gases is a great matter of discussion among physics community, being not only poorly understood, but having experimental attempts of its measuring shown sometimes contradictory results. This will be the topic of Chapters 3 and 4. In Chapter 5, the topic will be single electron signals arising in the ZEPLIN III detector. Signal description, possible origins and applications are studied. Namely, we study the possibility of using this feature to measure the coherent neutrino-nucleus scattering. This interaction has never been measured. Finally, in Chapter 6, some prospects on the measurement of xenon response with low-energy heavy ions are resumed.

A escrita desta tese foi motivada por difículdades inerentes à operação de detectores dupla-fase, os quais vêm sendo usados na tentativa de detecção de matéria negra. No Capítulo 1, a problemática da matéria negra de colocada, sendo apresentada a WIMP como partícula candidata. No Capítulo 2, as técnicas propostas para a detecção desta partícula são expostas. Em particular, o ZEPLIN III é apresentado. Este, é um detector dupla-fase com gás nobre, que está sujeito a problemas dos quais padecem os detectores da mesma classe. Em particular, a eficiência de cintilação dos gases nobres é tema de debate na comunidade especializada, tendo os ensaios experimentais para a sua medição mostrado, por vezes, resultados contraditórios. Este será o tópico dos Capítulos 3 e 4. No Capítulo 5, o tema será o sinal "single electron" emergente no ZEPLIN III. Será feita a descrição do sinal e a discussão de possíveis origens e utilidade. Nomeadamente, estudamos a possibilidade de usar esta capacidade para efectuar a medição da difusão coerente de neutrinos por núcleo atómicos, processo nunca medido até à data. Finalmente, no Capítulo 6 são estudadas possibilidades de medição da resposta do xenon a iõos.