Magnetic Inelastic Dark Matter Searches in LUX

Abstract

"The work described in this thesis focused on the study of Magnetic inelastic Dark Matter, MiDM. This was one of the models proposed to explain the discrepancies between DAMA/LIBRA and other direct detection dark matter results.Firstly, it was introduced the Dark Matter subject, focusing on Dark Matter evidences, candidates for particle Dark Matter and methods for Dark Matter detection.It was also described the physics of Xenon, its importance to scintillation detectors and the working principle dual-phase TPC detector. Also, it is briefly described the hardware of the LUX detector, its calibrations and the NEST software package in the context of LUX electric field models.After that, this work focused on Magnetic Inelastic Dark Matter, MiDM, by a theoretical and data analysis perspective. From a theoretical point of view, it was discussed a signal model for MiDM, with a python and Mathematica analysis on the form factors, differential cross-section and WIMP differential event rate.Finally, it was made an analysis on Magnetic inelastic Dark Matter(MiDM) using the data collected by the LUX detector between September 11, 2014 and May 2, 2016, corresponding to the Run IV dark matter search. This data was used to study several properties associated to MiDM, such as its event typology, the depth of the event from S1 top-bottom asymmetry and S2 pulse shape, the paring probability of the chronological sequences associated with a signal produced by MiDM and the background sources associated with MiDM. The analysis described in this work would be concluded by studying the factors that affect the efficiency, adding the S2 pulse width contribution to the pairing probability calculations and considering a nuclear recoil for the first pulse."

"O trabalho apresentado nesta tese focou-se no estudo de Matéria escura inelástica magnética, MiDM. Este é um dos modelos propostos para explicar a discrepância entre os resultados obtidos pela experiência DAMA/LIBRA e os resultados obtidos por outras experiências de detecção directa de Matéria Escura.Primeiramento, introduziu-se a problemática da Matéria Escura, através do foco nas evidências da existência de Matéria Escura, possíveis candidatos a Matéria Escura e métodos de detecção de Matéria Escura. Além disso, foram também descritas as propriedades físicas de Xenon, a importância do Xenon para os detectores de Cintilação e o princípio de funcionamento de um detector TPC de duas fases. Descreveu-se também o equipamento usado no detector de LUX, as calibração efectuadas em LUX e o pacote de software NEST no contexto dos modelos de campo eléctrico de LUX.Depois disso, abordou-se a problemática da Matéria Escura Magnética Inelástica, MiDM, de um ponto de vista teórico e de análise de dados.Do ponto de vista teórico, recorreu-se às linguagens de programação python e Mathematica para construir um modelo de sinal para MiDM através de uma análise sobre os factores de forma, a secção eficaz diferencial, e a taxa de eventos diferencial do WIMP.Finalmente, foi feita a análise da Matéria Escura Inelástica Magnética (MiDM), considerando os dados recolhidos por LUX entre 11 de setembro de2014 e 2 de maio de 2016, que correspondem à Run IV. Estes dados foram usados para estudar várias propriedades associadas a MiDM, como a tipologia de eventos, a profundidade do evento obtida pela assimetria entre o topo e o fundo do detector para o pulso S1, a forma do pulso S2, a probabilidade de emparelhamento das sequências cronológicas associadas a um sinal produzido por MiDM e as fontes de fundo associadas a MiDM. Para que a análise descrita neste trabalho seja concluída no futuro, será necessário estudar os factores que afectam a eficiência, adicionar a contribuição da largura do pulso S2 aos cálculos da probabilidade de emparelhamento e considerar um recuo nuclear para o primeiro pulso."