Matière noire et secteur caché U(1) : l'expérience DAMIC-M // Dark Matter and Hidden Sector U(1): The DAMIC-M Experiment

La matière noire, un des plus grands mystères de la physique moderne, reste un sujet d'étude majeur pour comprendre l'univers. Elle représente environ 27% de la masse-énergie totale de l'univers, mais sa nature exacte demeure inconnue. L'expérience DAMIC-M (Dark Matter in CCDs at Modane) cherche à la détecter, en particulier si elle se manifeste par une particule du secteur caché, interagissant avec un électron à travers d'un médiateur, comme un photon sombre. Les capteurs de l'expérience sont les détecteurs semi-conducteurs les plus précis au monde et sont installés dans le Laboratoire Souterrain de Modane, où 1750 mètres de roche les protègent des rayonnements cosmiques. L'objectif principal de DAMIC-M est de repousser les limites actuelles de détection afin d'entrer pour la première fois dans le domaine de paramètre où les particules de matière noire leptophiles du secteur caché sont attendues.

L'expérience termine sa phase prototype en janvier 2025, et détient actuellement les meilleures limites à la recherche de matière noire leptophile sur la majorité de l'espace de paramètre. Le projet de thèse porte dans un premier temps sur l'installation, la calibration, l'opération et la prise de données du détecteur final, qui sera en cours d'installatioon durant l'année 2025, puis sur l'analyse de ces données, à la recherche de WIMPs, de matière noire leptophile, ou d'abosorption de photon sombre.

En parallèle, l'étudiant.e participera de l'installation d'un système de taille réduite mais similaire à celui de DAMIC-M au sein du laboratoire IJCLab. Ce système permettra d'étudier en détail le fonctionnement des détecteurs de DAMIC-M, les skipper CCDs, dans un environnement plus accessible qu'un laboratoire souterrain. Une optimisation des détecteurs pour une meilleure compréhension des sources de bruit sera menée.
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Dark matter, one of the greatest mysteries of modern physics, remains a major area of study in our quest to understand the universe. It accounts for approximately 27% of the total mass-energy of the universe, yet its exact nature remains unknown. The DAMIC-M experiment (Dark Matter in CCDs at Modane) aims to detect dark matter, particularly if it manifests as a particle from the hidden sector, interacting with an electron through a mediator such as a dark photon. The experiment's sensors are Skipper CCDs, the most precise semiconductor detectors in the world, capable of measuring quantized electronic signals down to sub-electron precision. They are installed in the Modane Underground Laboratory, where 1750 meters of rock shield them from cosmic radiation. The primary goal of DAMIC-M is to push the current detection limits and, for the first time, probe the parameter space where hidden-sector leptophilic dark matter particles are expected.

The experiment will complete its prototype phase in January 2025 and currently holds the best limits for leptophilic dark matter searches across a large part of the parameter space. The PhD project will initially focus on the installation, calibration, operation, and data acquisition of the final detector, which will be under deployment during 2025. The subsequent analysis of this data will focus on the search for WIMPs, leptophilic dark matter, or dark photon absorption signals.

In parallel, the candidate will participate in the installation of a scaled-down system similar to DAMIC-M at IJCLab. This setup will allow for a detailed study of the Skipper CCD detectors in a more accessible environment compared to the underground laboratory. The work will include optimizing the detectors and improving the understanding of noise sources, thus enhancing their performance and sensitivity.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrats ED : Programme blanc GS-Physique

Université Paris-Saclay GS Physique

576 Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Image, Cosmos et Simulation

M2 en astrophysique et/ou physique des hautes énergies. Fort intérêt pour la physique des particules expérimentale et l'analyse de données.
Master's degree in astrophysics and/or high-energy physics. Strong interest in experimental particle physics and data analysis.