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Edgar Sánchez, investigador del Departamento de Investigación Básica, defiende su tesis doctoral y obtiene la calificación de sobresaliente cum laude

Edgar Sánchez, investigador del Departamento de Investigación Básica, defiende su tesis doctoral y obtiene la calificación de sobresaliente cum laude 

22/06/2021

Partículas elementales y astropartículas

 

El pasado 31 de mayo, Edgar Sánchez García, investigador del Departamento de Investigación Básica del CIEMAT, defendió su tesis doctoral Underground argon radiopurity studies for DarkSide-20k and R&D on noble gas detectors for rare event investigations (Estudio de la radiopureza del argón subterráneo para DarkSide-20k e I+D+i en detectores basados en gases nobles para investigaciones de eventos raros) en la Facultad de Ciencias Físicas de la Universidad Complutense de Madrid, obteniendo la calificación de sobresaliente cum laude. La tesis se ha desarrollado bajo la supervisión de los investigadores Pablo García Abia, Luciano Romero Barajas y Roberto Santorelli, pertenecientes al departamento de Investigación Básica del CIEMAT.

Hay evidencias significativas que sugieren que la materia ordinaria compuesta por bariones y leptones, representa solo el 5 % del contenido de energía-materia del Universo. Para dar cuenta de toda la densidad de energía-materia y explicar las observaciones astrofísicas a escala cosmológica es necesario incluir dos nuevos componentes. La primera es un nuevo tipo de materia, no luminosa y que no sufre colisiones, llamada materia oscura, cuyas interacciones con la materia ordinaria son principalmente a través de la fuerza gravitatoria. La segunda es una componente uniformemente distribuida llamada energía oscura, que se le atribuye ser responsable de la expansión acelerada del Universo. Según los últimos datos del satélite PLANCK, la energía oscura representa el 69 % del contenido de nuestro Universo y la materia oscura el 27 %. La naturaleza de la materia oscura y la energía oscura es uno de los problemas más relevantes en la física actual.

Aunque hay diferentes explicaciones posibles para el origen de la materia oscura, una hipótesis muy atractiva proviene de la física de las partículas en forma de reliquias térmicas producidas durante el Big Bang, que se desacoplan de forma natural, con la abundancia adecuada y están presentes actualmente en los halos que rodean a las galaxias. Se trata de las llamadas partículas masivas débilmente interactuantes (WIMPs), que no tienen carga electromagnética y sólo interactúan a través de la fuerza débil o gravitatoria. Durante los últimos años, diferentes experimentos han tratado de detectar esta hipotética partícula, estableciendo límites más bajos para la sección eficaz y rechazando varias hipótesis propuestas. Las cámaras de proyección temporal (TPCs), basadas en elementos nobles han establecido los límites más fuertes para WIMPs con una masa superior a 5 GeV/c2, demostrando su potencial para la detección de materia oscura.

Esta tesis se ha realizado dentro del experimento DarkSide-20k, una TPC con un volumen de detección de 50 toneladas de argón líquido. DarkSide-20k dominará las búsquedas independientes de spin en el rango de masas para los WIMPs de 10 GeV/c2 a 100 TeV/c2 durante la próxima década. Una de las claves para obtener estos desafiantes resultados es el uso de argón subterráneo.  El mayo contaminante radiactivo en los experimentos de argón líquido es el 39Ar, un isótopo que se encuentra a razón de 1 Bq/kg en el argón atmosférico. Se produce principalmente por la interacción de rayos cósmicos con los átomos de argón. Por esto, el argón extraído de pozos subterráneos tiene una cantidad significativamente menor de este isótopo. El experimento DarkSide-50 fue el primero en operar con argón subterráneo y midió una actividad de 0,73 mBq/kg de 39Ar.

Un punto crucial para la colaboración DarkSide es la caracterización de las distintas remesas de argón que serán utilizadas para llenar  DarkSide-20k. Un novedoso detector llamado DArT medirá pequeñas muestras de argón subterráneo (aproximadamente 1 L) en cortos periodos de tiempo (pocos días) con un error menor al 10 %. DArT  será instalado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC) en verano de 2021.  DArT será instalado dentro de Argón Dark Matter (ArDM), un volumen de 1 tonelada de argón líquido, que actuará como veto activo y al mismo tiempo proporcionará las condiciones criogénicas necesarias para el experimento.

El grupo de materia oscura del CIEMAT  juega un papel principal en el diseño y construcción de DArT. En particular, el trabajo presentado en esta tesis ha consistido en la optimización del diseño de DArT con el objetivo de alcanzar la sensibilidad más alta posible dentro de las especificaciones requeridas por el experimento. Para ello, se han desarrollado diversas simulaciones utilizando herramientas como GEANT4. Los resultados principales de este trabajo han sido la base del DArT in ArDM Technical Design Report presentado y aprobado por el comité científico del LSC en 2019.

La instalación de DArT en el LSC estaba prevista para finales de 2020, pero debido al impacto de la COVID-19 se ha retrasado hasta 2021. Con el objetivo de minimizar el impacto de la pandemia sobre la planificación temporal del experimento, se han realizado pruebas en superficie en el CIEMAT.  Concretamente, el montaje, la primera toma de datos y  su correspondiente análisis.  Además, la caracterización de los módulos de fotodetección (PDMs) producidos para DArT se ha realizado en el CIEMAT.

Aparte del trabajo realizado dentro de la colaboración DarkSide, la tesis contiene otras dos líneas de investigación relacionadas con I+D+i para detectores de argón líquido.  La primera es el desarrollo de un detector de partículas sensible a la longitud de onda, con el objetivo de estudiar una novedosa técnica de discriminación de partículas en gases nobles. Se ha construido y operado con éxito esta cámara de alta presión con argón gas hasta 21 bar en el CIEMAT, estudiando las características de centelleo que son relevantes para una identificación espectroscópica de las interacciones de las partículas.

La segunda línea de investigación está relacionada con el estudio de los efectos producidos por los iones positivos acumulados en los grandes detectores de argón líquido. En una cámara de proyección temporal, la acumulación de un volumen de carga positiva, se produce como efecto de la gran diferencia entre la velocidad de deriva de los electrones y los iones, cinco órdenes de magnitud más lentos. Se espera que esta carga espacial distorsione el campo eléctrico y produzca recombinación secundaria de iones y electrones. Se ha construido un detector para investigar efectos asociados con la carga espacial de forma específica. En concreto, la retroalimentación de iones desde la fase gaseosa a la líquida y la medida de  la velocidad de deriva de los iones en argón gaseoso.

Los resultados más relevantes de esta tesis están publicados en varias revistas de alto impacto, como: Design and Construction of a New Detector to Measure Ultra-Low Radioactive-Isotope Contamination of Argon DarkSide Collaboration.    JINST 15 (2020) 02, P02024;  Spectroscopic analysis of the argon scintillation with a wavelength sensitive particle detector. R. Santorelli, E. Sanchez Garcia et al eprint: 2012.08262; DArT, a detector for measuring the  39Ar depletion factor.  E. Sanchez Garcia et al., Proceeding LIDINE,  JINST 15 (2020) 02,  C02044;  e  Impact of the positive ion current on large size neutrino detectors and delayed photon emission.  R.Santorelli, S. Di Luise, E. Sanchez Garcia, P. Garcia Abia, T. Lux,  V.Pesudo, L. Romero,  JINST 13 (2018) 04, C04015.


Cámara de alta presión construida en el CIEMAT para el estudio de los mecanismos de producción de luz en el argón.

Estructura interna del detector desarrollado en el CIEMAT para el estudio de la dinámica de los iones positivos en argón líquido.

Edgar Sánchez, investigador del Departamento de Investigación Básica, defiende su tesis doctoral y obtiene la calificación de sobresaliente cum laude Edgar Sánchez, investigador del Departamento de Investigación Básica, defiende su tesis doctoral y obtiene la calificación de sobresaliente cum laude Edgar Sánchez, investigador del Departamento de Investigación Básica, defiende su tesis doctoral y obtiene la calificación de sobresaliente cum laude Edgar Sánchez, investigador del Departamento de Investigación Básica, defiende su tesis doctoral y obtiene la calificación de sobresaliente cum laude Edgar Sánchez, investigador del Departamento de Investigación Básica, defiende su tesis doctoral y obtiene la calificación de sobresaliente cum laude