An experimental study of novel schemes for low-energy-threshold and low-background particle detection in rare gas crystals

Oggigiorno, numerose prove sperimentali indicano che il Modello Standard della fisica delle particelle non sia completo, in particolare, una delle questioni più importanti riguarda la composizione dell'Universo. Infatti, la materia ordinaria, che è il costituente di tutto ciò che conosciamo, sembra essere solamente una minima frazione dell'intera massa del Cosmo stesso. La parte sconosciuta della massa dell'Universo viene indicata con il termine materia oscura e rappresenta uno dei più grandi misteri della scienza contemporanea. Le evidenze sperimentali sia su scala astrofisica sia cosmologica in contesti diversi, suggeriscono l'esistenza di particelle di materia oscura che interagiscono con la materia ordinaria mediante la forza gravitazionale. Nonostante queste osservazioni, fino ad ora, queste particelle non sono state mai misurate direttamente e quindi una prova diretta della loro esistenza tutt'ora manca. Per cercare di sopperire a questa lacuna è necessario migliorare le performance dei rivelatori attuali tramite nuovi schemi di rivelazione complementari, aprendo così la possibilità a nuove scoperte fondamentali. La presente dissertazione di dottorato si focalizza su uno studio di ricerca e sviluppo per una nuova categoria di rivelatori di particelle a bassa soglia energetica e a basso fondo. Tali approcci, necessari per investigare piccoli rilasci di energia nella materia, possono ad esempio essere applicabili allo studio della composizione particellare della materia oscura. In questa tesi verranno presentati due schemi sperimentali entrambi basati su matrici cristalline di gas rari o nobili quali neon argon kripton e xenon sia puri sia drogati con metalli alcalini o terre rare. Assieme a questi solidi, si intende sfruttare la tecnologia della rivelazione di singole cariche in vuoto che può essere ottenuta mediante strumenti quali microchannel-plate o channetron. Piccoli rilasci di energia in materiali isolanti quali solidi di gas rari sia drogati sia puri, possono infatti essere sondati da processi che sfruttano fenomeni quali la laser up-conversion per rivelare particelle debolmente interagenti. In questo modo, una soglia energetica che varia dal meV a decine di eV può essere in principio raggiunta, aprendo la possibilità all'indagine di regioni inesplorate dello spazio dei parametri dell'interazione elettrodebole, testando così l'esistenza di candidati leggeri per la materia oscura. Il lavoro che ho svolto durante il PhD riguarda la fase di ricerca e sviluppo relativa a: tecniche di crescita di cristalli di gas rari ed i relativi apparati sperimentali, l'estrazione di elettroni da questi solidi, ed infine studi spettroscopici su specie atomiche intrappolate all'interno di queste matrici cristalline.

There are numerous indications about possible new physics beyond the Standard Model and in particular, one of the major issues refers to the Universe composition. Indeed, the ordinary matter, which is everything we know, seems to account for only a tiny fraction of the Cosmos' mass. The unknown part of the Universe mass is the so-called dark matter which represents one of the greatest mysteries of the modern science. Experimental evidences from cosmological and astrophysical observations in many different contexts, suggest the existence of dark matter particles that interact with ordinary matter mainly under the gravitational force. However, so far, all these particles evaded the detection and a direct proof of their existence is still missing. To overcome this lack, novel complementary detection schemes are necessary to improve the actual limits and the performances of current detectors, opening thus the possibility to novel breakthrough discoveries. This dissertation focuses on a research and development study for a new category of low-energy-threshold particle detector necessary to investigate low-energy-releases within the matter such as the direct investigation of dark matter composition. In this thesis I will present two experimental schemes based on solid matrices of rare gas combined with the in-vacuum single electron detection technology. Small energy releases in unreactive materials, such as solid matrices of rare gas both pure and doped, can be probed exploiting also laser-assisted processes that up-convert the low-energy-release of the incident particle. These mechanisms should lead to a detectable electronic signal triggered by the incoming particle. In such a way, energy threshold ranging from meV to tens of eV could in principle be reached opening-up thus the possibility to probe theoretically well-motivated regions of unexplored electroweak parameter-space and thus test the existence of light dark matter candidates. The work performed during the PhD period refers to the experimental research and development phases about: the rare gas crystals growing techniques and the corresponding set-ups, the electrons' extraction from rare gas crystals to the vacuum environment, and finally the spectroscopic studies on atomic species embedded into rare gas matrices.