Contributions to the Xenon dark matter experiment: simulations of detector response to calibration sources and electric field optimization

Abstract

A Matéria Escura continua a ser dos maiores mistérios do atual mundo da Física, potenciando imensos esforços no estudo do seu comportamento e das suas propriedades, tanto a nível experimental como teórico. Os detetores XENON tentam detetar de forma direta estas esquivas partículas, focando-se principalmente nas Partículas Pesadas que Interagem por Força Fraca, ou WIMPs, em grandes volumes de Xenon líquido com detetores de Câmaras de Projeção Temporal (TPC) de dupla fase. Desde a publicação dos seus últimos resultados, o detetor XENON1T é reconhecido como a mais sensível experiência de Matéria Escura.Neste trabalho, enumeram-se as principais evidências da existência de Matéria Escura no Universo e alguns dos seus mais reconhecidos modelos teóricos, passando depois à apresentação do detetor XENON1T e, de seguida, do futuro detetor XENONnT. O principal foco desta dissertação é, numa primeira instância, a simulação e análise de calibrações de recuos nucleares (NR) com um gerador de neutrões (NG), feitas no detetor XENON1T. Uma simulação de todo o detetor é feita para estudar o comportamento esperado e os resultados de análise comparados com os resultados em dados do detetor real. Mais ainda, é de seguida feita uma análise a outras campanhas de calibração com o NG de forma a estudar e modelar a banda de recuos nucleares. Mais tarde, no último capítulo, o foco muda para a construção do modelo geométrico e simulações de elementos finitos de campo elétrico da TPC do detetor XENONnT. Aqui, o principal objetivo é otimizar a geometria e diferencças de potencial aplicadas aos anéis de deformação do campo elétrico(FSR), responsáveis por o manter o mais uniforme possível dentro da TPC.

Dark Matter (DM) still stands as one of the great mysteries of current day Physics, fueling massive experimental and theoretical endeavors to understand its behavior and properties. The XENON detectors aim to directly detect these elusive particles, mostly focusing on Weakly Interactive Massive Particles, or WIMPs, in a large volume of liquid Xenon, using double phase time projection chamber (TPC) detectors. Since its latest results published, the XENON1T detector stands as the most sensitive Dark Matter experiment up to date.In this work, a journey through the evidences on the existence of Dark Matter in the Universe and some of its most notorious models leads to a presentation of the current generation XENON1T detector and, later on, the next generation XENONnT detector. The core of this dissertation focuses, at first, on the simulation and analysis of neutron generator (NG) nuclear recoil (NR) calibration data from the XENON1T detector. Here, a full simulation of a NG calibration run is computed and its results compared with data taken with the XENON1T detector. A separate analysis of other NR calibration data to look into the NR band model and ots empirical fit is achieved. Later, in the last chapter, the focus changes to the construction of the geometry model and electric field finite-element simulation of the XENONnT TPC. The main objective is to optimize the resistive chain that ensures the uniformity of the field inside the TPC, changing the geometry and voltage of the field shaping rings, preliminary based on the design used for XENON1T.