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Theses Year : 2020

Search for leptonically interacting dark matter with the XENON1T electronic recoil data

Analyse des modèles de Matière Noire leptophilique en utilisant les données de recul électronique de XENON1T

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Abstract

The present thesis, focus on the experimental testing of theories beyond the Standard Model, predicting a specific particle nature for the dark matter (DM) and, specifically, in the effort to directly detect leptonically interacting DM particles with the use of the low-background, underground detector XENON1T. We, initially, investigate the electronic recoil (ER) background in the search of a possible modulation, which is expected due to the relative motion between the Earth and the DM halo. In the absence of observation of WIMP-induced nuclear recoils, an alternative interpretation through a leptophilic DM, finds its place as a natural hypothesis that should be tested, taking advantage of the long-term stability of the ER background of the XENON1T detector. Then, we focus on the search of leptonically interacting DM particles with mass in the sub-GeV scale, emerging in the framework of so-called,”hidden sector" theories, predicting a leptophilic DM with mass in MeV scale, that could interact with the target causing inelastic atomic processes, such as ionization. It is in the region of this expected signal that a huge and, so far, incomprehensible background arises, driven by the so-called single electrons, small charge signals that appear to derive from a multitude of quantum processes in the atomic level of LXe. What can we infer about leptophilic DM without the possibility of background subtraction? Can we classify the processes that create this background? How can machine learning techniques, like Neural Networks, mitigate such backgrounds? These are some of the questions, about the exciting topic of DM direct detection, that we will try to address in this work.
La présente thèse concerne le test expérimental de théories au-delà du modèle standard, prédisant une nature corpusculaire pour la matière noire (MN) et, plus précisément, sur l'effort de détecter directement des particules interagissant leptoniquement à l'aide du détecteur souterrain à faible bruit de fond, XENON1T. Nous étudions le bruit de fond de reculs électroniques (RE) à la recherche d'une éventuelle modulation, attendue en raison du mouvement relatif entre la Terre et le halo de MN. En l'absence d'observation des reculs nucléaires induits par des WIMPs, une interprétation alternative à travers une MN leptophilique, trouve sa place comme hypothèse naturelle à tester, profitant de la stabilité du bruit de fond RE du détecteur. Ensuite, nous nous concentrons sur la recherche de particules de MN émergeant dans le cadre de théories dites du «secteur caché», prédisant un MN leptophilique avec une masse à l'échelle MeV, qui pourrait interagir avec la cible provoquant des processus atomiques inélastiques, tels que l'ionisation. C'est dans la région de ce signal attendu qu'un bruit de fond grand et, jusqu'à présent, incompréhensible se produit, entraîné par les «électrons solitaires», de petits signaux de charge qui semblent provenir d'une multitude de processus quantiques. Que pouvons-nous déduire de la MN leptophilique sans possibilité de soustraction du bruit de fond? Pouvons-nous classer les processus qui créent ce bruit de fond ? Comment les techniques d'apprentissage automatique, comme les réseaux de neurones, peuvent-elles l’atténuer ? Ce sont quelques-unes des questions, sur le sujet passionnant de la détection directe de MN, que nous essaierons d'aborder.
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tel-03793329 , version 1 (01-10-2022)

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  • HAL Id : tel-03793329 , version 1

Cite

Jean-Philippe Zopounidis. Search for leptonically interacting dark matter with the XENON1T electronic recoil data. High Energy Physics - Experiment [hep-ex]. Sorbonne Université, 2020. English. ⟨NNT : 2020SORUS364⟩. ⟨tel-03793329⟩
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