Détecteur

DISPOSITIF À TRANSFERT DE CHARGE

Les CCDs sont utilisés depuis de nombreuses années dans les appareils photos numériques de hautes qualités et dans le plan focal des télescopes astronomiques pour l’imagerie d’objets astrophysiques faibles.

Les CCDs de DAMIC, actuellement installés à SNOLAB, ont été développés par le laboratoire national de Lawrence Berkeley (LBNL) en Californie. Ils ont une épaisseur de 675 µm et une surface active de 6 cm x 6 cm, pour une masse de 6 g chacun. Les nouveaux CCD DAMICM auront une taille de 36 millions de pixels (soit 9 cm x 9 cm) et une nouvelle technologie de lecture pour atteindre une resolution d'une fraction d'electron.

PRINCIPE DE DÉTECTION

Le principe de la détection du DM avec un CCD est illustré à la figure (en haut). La charge produite lors de l’interaction des particules de DM, par absorption ou par un recul nucléaire / électronique, se dirige vers les portes des pixels, où elle est maintenue jusqu’à la lecture.

En dérivant vers la porte des pixels, la charge ionisée diffuse transversalement, avec une variance spatiale proportionnelle au temps de transit (en bas). Il existe donc une corrélation positive entre la diffusion latérale de la charge collectée sur le réseau de pixels et la profondeur de l'interaction, qui peut être utilisée pour la reconstruction de position en trois dimensions.

Le détecteur DAMIC-M sera composé de 50 CCD, pour une masse totale de l'ordre du kg avec un blindage interne et externe. La conception du détecteur est en cours.

Pour réduire le bruit de fond induits par les rayons cosmiques, DAMIC-M sera installé dans un laboratoire souterrain, celui de Modane en France, à 1700 m sous terre, dans le tunnel de Fréjus offre d’excellentes conditions. Pour limiter les bruits de fonds d’origines radioactives le détecteur est protégé par du plomb archéologique (absorption des photons), du polyéthylène (absorption des neutrons) et un soin particulier est apporté à la sélection et à la manipulation des matériaux afin d’en assurer la pureté radio-chimique. La reconstruction 3D et une resolution spatiale unique sont cruciaux pour séparer les événements apparaissants à la surface du CCD (ce qui peut être dû à des contaminations extérieures) de ceux plus profonds. De plus, l’excellente résolution spatiale des pixels permet d'identifier et de rejeter le fond radioactif résiduel qui produit une séquence temporelle d’évènement apparaissant au même endroit dans le CCD.

L'innovation principale dans DAMIC-M est l'intégration d'un nouveau schéma de lecture de CCDs où le bruit sous-électronique est obtenu par une mesure multiple non-destructive de la charge de pixels. Dans le CCD dit «skipper», la charge d'un pixel est mesurée N fois, et en prenant la moyenne de ces mesures, le bruit blanc est réduit de √N. Plus important encore, l'effet du bruit basse fréquence 1 / f est considérablement réduit, car le temps d'intégration de chaque mesure est beaucoup plus court que dans la lecture conventionnelle. Lors d'une récente R&D au Fermilab, cette lecture a été implémentée avec succès dans un CCD de type DAMIC. Une résolution d'une fraction d'électrons a été confirmée par nos tests avec les skippers-CCD DAMIC-M.

Avec un bruit de seulement 0,1 e-, le DAMIC-M détectera à haute résolution un seul électron et sera sensible à une énergie aussi petite que 2-3 eV. Même avec une résolution à charge unique, un signal peut rester caché dans les fluctuations du courant d'obscurité du détecteur. Les CCD DAMIC ont le plus faible courant d'obscurité jamais mesuré dans un détecteur au silicium, ≤ 5x10-22 A / cm2 à une température de fonctionnement de 140 K.