Electroluminescence dans l’argon gazeux (signal S2)

Ex = 0.36 ± 0.06 (4.21) Nsinglet N_triplet ! R = 0.5 ± 0.2 (4.22)

Les processus d’excitation directe et de recombinaison passant par la formation d’un même excimère, le mécanisme de relaxation produisant les états1Σ+

u et3Σ+

u est le même. Le rapport d’intensité entre les composantes lente et rapide est donc du même ordre de grandeur dans les deux cas. Nous constatons cependant que l’incertitude sur la mesure réalisée dans le cas de la recombinaison est plus large que celle correspondant à l’excitation directe. Dans la simulation, nous avons choisi d’utiliser le même rapport d’intensité dans les deux cas :

Nsinglet

N_triplet = 0.36 (4.23)

Le temps d’émission (« temps de scintillation »), c’est-à-dire le délai entre l’interaction de la particule incidente et l’émission du photon, est généré aléatoirement selon une loi exponentielle. Le temps caractéristique de cette loi dépend de la désexcitation en question. Dans la simulation, les valeurs suivantes sont utilisées [165] :

singlet : τs= 6 ns (4.24)

triplet : τt= 1600 ns

La simulation décrite ici permet donc d’obtenir, pour chaque step de la trace de la particule incidente, le nombre de photons de scintillation émis et les temps d’émission correspondant à chacun de ces photons. Cette simulation permet également d’obtenir le nombre d’électrons d’ionisation qui s’échappent vers le haut du détecteur, et qui vont être extraits vers la phase gazeuse. Nous allons à présent voir que ces électrons vont également générer un signal lumineux qu’il nous faut simuler.

4.2 Electroluminescence dans l’argon gazeux (signal S2)

Contrairement aux LArTPC simple-phase dans lequel seul le signal S1 est produit, un second signal lumineux est observable dans les LArTPC double-phase. Ce second signal, appelé « signal S2 », est produit dans l’argon gazeux par les électrons d’ionisation, avant qu’ils ne soient collectés par les plans d’anodes.

4.2.1 Production de photons dans l’argon gazeux

Nous avons vu précédemment qu’une partie des électrons d’ionisation se recombine avec les ions d’argon, contribuant ainsi au signal lumineux S1. Les électrons qui ne se recombinent pas (qui « s’échappent ») vont dériver dans l’argon liquide suivant le champ électrique appliqué à la TPC avec une vitesse de dérive dépendant de l’amplitude du champ [166]. Comme nous l’avons vu dans

d’une LArTPC permettant de reconstituer les traces des particules détectées. L’atout des LArTPC double-phase est de procéder à cette collection dans l’argon gazeux, ce qui permet d’amplifier le signal avant sa collection, et mène également à l’émission de photons. L’ensemble des photons émis dans l’argon gazeux constitue un signal secondaire appelé « signal S2 ».

Ces photons sont produits isotropiquement par électroluminescence [167] lorsque le champs électrique appliqué est supérieure à environ 2 kV/cm [145]. Le signal est constitué de trois contributions :

• Photons émis entre la surface du liquide et les LEMs.

• Photons produits lors de l’amplification des électrons, dans les trous des LEMs. • Photons émis entre les LEMs et les plans d’anodes.

Les photons sont émis en différentes quantités suivant la contribution, la plus importante étant celle provenant des LEMs, où le champ électrique est le plus fort (autour de 30 kV/cm). La quantité de photons émis dépend de l’épaisseur de la couche d’argon gazeux et des champs électriques appliqués. Elle est proportionnelle au nombre d’électrons extraits du liquide vers le gaz. Ce signal est constitué de photons de même longueur d’onde que le signal S1 (128 nm) et provient des mêmes désexcitations d’excimères [168]. Les temps de vie de ces désexcitations sont cependant plus longs, de l’ordre de quelques nanosecondes pour l’état singlet, et de l’ordre de 3200 ns [169] pour l’état triplet.

Par rapport au signal S1, le signal S2 est émis avec un temps de décalage correspondant au temps nécessaire aux électrons d’ionisation pour dériver jusqu’au gaz. Il ne peut donc pas être utilisé dans le système de déclenchement, mais la collection de ce signal secondaire peut apporter différents renseignements, sur la particule détectée, mais également sur le détecteur. Le laps de temps entre le pic correspondant au signal S1 et le début du signal S2 correspond au temps de dérive des électrons d’ionisation qui ont été produits le plus proche de l’anode. Événement par événement, la longueur du signal renseigne également sur la distance de dérive maximale parcourue par les électrons d’ionisation produits par la particule incidente, et peut être utilisée dans la reconstruction des traces. En moyennant le signal S2 sur plusieurs événements, et connaissant les dimensions du détecteur, cette longueur permet de mesurer la vitesse de dérive des électrons et d’estimer la pureté de l’argon liquide.

4.2.2 Simulation du signal lumineux produit dans l’argon gazeux

Les photons étant produits en haut du détecteur, la probabilité pour qu’ils parviennent aux PMTs placés en bas de la cuve d’argon liquide est faible. Cependant, l’intensité du champ électrique appliqué dans les LEMs pour multiplier les charges mène à l’émission d’un nombre considérable de photons S2, dont une partie non-négligeable est émise en direction des PMTs. Ce nombre conséquent de photons rend le signal S2 non seulement détectable, mais surtout exploitable pour l’analyse des données. Dans certains cas, il risque également de constituer un bruit de fond pour d’autres analyses. Il est donc important de le simuler en même temps que le signal S1 pour produire une simulation la plus complète possible d’une LArTPC double-phase et du signal lumineux produit dans un tel détecteur. 4.2.2.1 Quantité de photons S2 émis en direction des PMTs

La particularité de notre simulation est qu’il faut estimer la quantité de photons émis en direction du liquide et des PMTs, alors que la plupart des mesures et simulations effectuées jusqu’à présent concernaient la fraction de photons détectés au-dessus des LEMs. De plus, la majorité de ces photons sont produits dans les LEMs lors de l’amplification des charges. Or, c’est la quantité de photons

produits dans les LEMs qui est la quantité la plus difficile à estimer. Dans notre simulation, le nombre de photons S2 émis est estimé l’aide d’un gain GEL, appelé « gain d’électroluminescence » représentant le nombre de photons S2 produits par électron ayant atteint la grille d’extraction. Le nombre Nextr

d’électrons dérivant jusqu’à la grille d’extraction peut être estimé simplement à partir du nombre d’électrons non-recombinés que nous avons calculé dans la section 4.1(équation4.20) :

N_extr = Ne× e^−tdriftτe (4.25)

où tdrif t est le temps de dérive des électrons, c’est-à-dire le temps entre l’ionisation initiale et l’arrivée de l’électron à la surface du liquide, et τe est le temps de vie des électrons dans l’argon liquide. Le temps de dérive est obtenu à partir de la vitesse de dérive des électrons et de la distance DGAr entre l’ionisation et la surface du liquide :

t_{drif t}= ^DGAr

v_{drif t} (4.26) Pour un champ de dérive de 0.5 kV/cm, la vitesse de dérive des électrons est estimée autour de 1.6 mm/µs [139]. Le temps de vie τe dépend de la pureté de l’argon liquide, et est inversement proportionnel à la quantité d’impuretés présentes dans l’argon liquide. Dans ProtoDUNE-DP, ce temps de vie devrait être supérieur à 3 ms, ce qui correspond à une concentration d’impuretés de 100 ppt (partie par trillion). Le nombre de photons S2 est ensuite estimé à l’aide du gain GEL :

Nph,S2= GEL× N_extr (4.27) Le gain GELutilisé dans les simulations présentées dans cette thèse est de 300 photons/électron, mais sa valeur n’est actuellement pas connue. Une simulation plus récente et précise des LEMs semble indiquer un gain plus faible, en estimant la quantité de photons produits dans les LEMs et en direction des PMTs à environ 50 photons/électron [170]. En prenant en compte les contributions, moins conséquentes, des photons produits en-dessous et au-dessus des LEMs, l’estimation du gain total GEL serait alors en-dessous de 150 photons/électron. Ce gain reste actuellement l’un des principaux paramètres à étudier pour améliorer les simulations.

4.2.2.2 Temps d’émission des photons S2

Comme pour les photons S1, un temps d’émission est calculé pour chaque photon S2 en utilisant le même rapport d’intensité de 0.36 entre les composantes lentes et rapides, et les temps caractéristiques suivant [169] :

singlet : τs,GAr = 7 ns (4.28)

triplet : τt,GAr = 3200 ns

En additionnant ces photons produits dans l’argon gazeux aux photons S1 produits dans le liquide, nous obtenons une vue complète des photons produits dans une LArTPC double-phase. La prochaine étape consiste à simuler la propagation de ces photons dans le détecteur, jusqu’aux PMTs situés en bas de la cuve d’argon liquide.