Estudio de los diferentes modelos de física nuclear en los isótopos radioactivos de los materiales de construcción del experimento OSCURA

Abstract

La materia oscura es una componente esencial del Universo, cuyo origen y naturaleza se desconocen. El experimento Oscura busca detectar materia oscura utilizando dispositivos acoplados por carga (CCDs) con amplificadores skipper. Un desafío crucial en la detección de materia oscura es la identificación y modelización precisa de los fondos radioactivos. Este trabajo se enfoca en el estudio del isótopo ²¹⁰Pb, más concretamente en la desintegración del ²¹⁰Pb al ²¹⁰Bi. Para modelar esta desintegración se ha utilizado el framework de Geant4 [27], en particular, el código específico del experimento OSCURA: g4oscura. El primer objetivo del trabajo ha sido estudiar los parámetros característicos de la desintegración del ²¹⁰Pb al ²¹⁰Bi, tales como la probabilidad de las posibles transiciones, el espectro beta, y el coeficiente de conversión total de electrones (αT ). Además, se ha analizado la distribución de las partículas emitidas en el proceso de conversión interna (electrones y rayos γ). El segundo objetivo ha sido analizar el espectro de energía correspondiente a todas las partículas emitidas durante la desintegración del ²¹⁰Pb, con el fin de diferenciar entre la activación o desactivación de distintos procesos físicos mediante el uso de diferentes physics lists en las simulaciones. Comprender las posibles diferencias entre las physics lists es crucial para determinar qué modelos físicos deben implementarse en el código de g4oscura, mejorando así la precisión de las mediciones en el experimento Oscura. Asimismo, este análisis proporcionará información sobre cómo diferentes entornos físicos pueden influir en los procesos de desintegración radiactiva.

Dark matter is an essential component of the Universe, whose origin and nature are unknown. The Oscura experiment aims to detect dark matter using charge-coupled devices (CCDs) with skipper amplifiers. A crucial challenge in dark matter detection is the identification and accurate modelling of radioactive backgrounds. This work focuses on the study of the isotope ²¹⁰Pb, more specifically on the decay of ²¹⁰Pb to ²¹⁰Bi. To model this disintegration, the Geant4 framework has been used, in particular, the specific code of the OSCURA experiment: g4oscura. The first objective of the work has been to study the characteristic parameters of the decay of the ²¹⁰Pb to ²¹⁰Bi, such as the probability of the possible transitions, the beta spectrum, and the total electron conversion coefficient (αT). In addition, the distribution of the particles emitted in the internal conversion process (electrons and γ rays) has been analysed. The second objective has been to analyse the energy spectrum corresponding to all the particles emitted during the decay of Pb, in order to differentiate between the activation or deactivation of different physical processes by using different physics lists in the simulations. Understanding the possible differences between the physics lists is crucial to determine which physics models should be implemented in the Oscura code, thus improving the accuracy of the measurements in the Oscura experiment. This analysis will also provide information on how different physical environments can influence radioactive decay processes.