Abstract

BabyIAXO is the intermediate stage of the International Axion Observatory, a program to search for solar axions through their conversion into X-rays in a strong magnetic field. Its planned surface operation requires detectors that reject cosmic-ray backgrounds while retaining a weak keV X-ray signal. This thesis develops simulation, background-modeling, and active-veto methods for the IAXO Micromegas detector program.

The software work extends REST-for-Physics and its Geant4 interface, restG4, through source generation, geometry construction, detector-response processing, and large-scale simulation workflows. For IAXO-D1 operated with argon–isobutane, a source inventory organizes cosmic, environmental, and intrinsic backgrounds under a common reconstructed-event selection. Generated-primary counts and unresolved normalization requirements are recorded explicitly. Tests of learned topology discrimination reveal substantial simulation-to-data disagreement, so no learned rejection is credited in the reference selection.

The shielding studies identify secondary showers produced by high-energy neutrons in lead as an important background mechanism. They motivate a multilayer plastic-scintillator–cadmium veto combining prompt activity with delayed capture signatures. Three layers provide a practical compromise between conditional tagging performance and detector complexity. A quantitative neutron efficiency still requires validation of waveform acceptance, quenching, and capture modeling. Neutron-induced activation is evaluated separately through production and radioactive-decay simulations, without assigning prompt-veto suppression to delayed decays.

The IAXO-D0 prototype supplies the principal experimental result. In $52.1\mathrm{d}$ of surface data, the prompt veto removes 201 of 257 Micromegas-selected events and the advanced selection removes a further 7 of 56. The resulting background level is $({8.56}_{-1.91}^{+2.30})\times {10}^{-7}$ $\text{counts}{\text{keV}}^{-1}{\text{cm}}^{-2}{\mathrm{s}}^{-1}$ at 90% confidence, with 97.0% retention of the Micromegas-selected calibration sample. The additional rejection is measured without identifying the rejected events individually as neutrons. These results support further validation using the existing data and simulations. An absolute BabyIAXO prediction additionally requires its xenon–neon response, optics, final geometry, and site-specific source normalization.

Resumen

BabyIAXO es la etapa intermedia del International Axion Observatory, un programa para buscar axiones solares mediante su conversión en rayos X en un campo magnético intenso. Su operación prevista en superficie requiere detectores que rechacen el fondo cósmico y conserven una señal débil de rayos X de energía keV. Esta tesis desarrolla métodos de simulación, modelado de fondo y veto activo para los detectores Micromegas de IAXO.

El trabajo amplía REST-for-Physics y su interfaz con Geant4, restG4, mediante herramientas de generación de fuentes, geometrías, respuesta del detector y producción a gran escala. Para IAXO-D1 con argón–isobutano, un inventario organiza los fondos cósmicos, ambientales e intrínsecos bajo una selección común de sucesos reconstruidos. Se documentan los primarios generados y los requisitos de normalización pendientes. Los clasificadores topológicos muestran diferencias importantes entre simulación y datos; por ello, la selección de referencia no les atribuye rechazo de fondo.

Los estudios de blindaje identifican las cascadas secundarias producidas por neutrones de alta energía en el plomo como un mecanismo de fondo relevante. Motivan un veto multicapa de centelleador plástico y cadmio que combina actividad rápida y capturas retardadas. Tres capas ofrecen un compromiso entre identificación condicional y complejidad. Una eficiencia neutrónica cuantitativa requiere validar la aceptación temporal, el quenching y las capturas. La activación se evalúa por separado mediante simulaciones de producción y desintegración, sin aplicar rechazo rápido a desintegraciones retardadas.

El principal resultado experimental procede de IAXO-D0. En $52.1\mathrm{d}$ de datos, el veto rápido elimina 201 de 257 sucesos seleccionados por Micromegas; la selección avanzada elimina otros 7 de los 56 restantes. El fondo resultante es $({8.56}_{-1.91}^{+2.30})\times {10}^{-7}$ $\text{counts}{\text{keV}}^{-1}{\text{cm}}^{-2}{\mathrm{s}}^{-1}$ al 90% de confianza, conservando el 97.0% de la muestra de calibración seleccionada por Micromegas. El rechazo adicional está medido, sin identificar individualmente como neutrones los sucesos rechazados. Estos resultados permiten avanzar con los datos disponibles y nuevas simulaciones. Una predicción absoluta para BabyIAXO requiere además su respuesta en xenón–neón, óptica, geometría final y normalización de fuentes en el emplazamiento.