Caratterizzazione sperimentale dell'elettronica di front-end per l'esperimento TRISTAN

The TRISTAN project aims at the determination of the existence and the mass of the sterile neutrino in the keV range. This particle is of great scientific interest since it would allow the explanation of relevant cosmological observations: in particular the sterile neutrino is a very good candidate to account for dark matter. TRISTAN represents an extension of the KATRIN experiment, with which it shares most of the experimental apparatus, and it is based on tritium β-decay reaction. The existence of the keV range sterile neutrino would generate a slight distorsion in the β-electrons' spectrum: this spectrum is measured through an array of solid state detectors, in particular SDDs with integrated JFET. The front-end ASIC for TRISTAN project, called Ettore, features 12 channels with a two-stage structure: the first stage provides the biasing for the JFET and performs a pre-amplification of the charge generated in the detector by the β-electrons, the second AC-coupled stage performs an additional amplification of the signals. This master thesis has the objective of verifying the functionality and providing experimental characterization of the first prototype of this ASIC. In the first chapter the TRISTAN experiment is introduced and the choice of SDD technology for the spectrum acquisition is motivated; in the second chapter the functionalities of Ettore are described in detail; the third chapter concerns the design of the PCBs used in the experimental activities; in the fourth chapter the setup assembly is shown, and the obtained experimental results are reported. The last chapter introduces the future developments of the laboratory's activities related to TRISTAN project.

Il progetto TRISTAN mira alla determinazione dell’esistenza e della massa del neutrino sterile nel range dei keV. Questa particella è di grande interesse scientifico in quanto permetterebbe di spiegare rilevanti osservazioni cosmologiche: in particolare il neutrino sterile è un ottimo candidato a rendere conto della materia oscura. TRISTAN rappresenta un’estensione dell’esperimento KATRIN, con cui condivide gran parte dell’apparato sperimentale, e si basa sulla reazione di decadimento β del trizio. L’esistenza del neutrino sterile nel range dei keV darebbe luogo a una lieve distorsione nello spettro dei β-elettroni: questo spettro è misurato tramite un array di rivelatori a stato solido del tipo SDD con JFET integrato. L’ASIC di front-end per il progetto TRISTAN, chiamato Ettore, prevede 12 canali con struttura a due stadi: il primo stadio fornisce la polarizzazione per il JFET ed effettua una preamplificazione della carica generata nel rivelatore dai β-elettroni, il secondo stadio accoppiato in AC effettua una ulteriore amplificazione dei segnali. Questa tesi di laurea magistrale ha come obiettivo la verifica del funzionamento e la caratterizzazione sperimentale del primo prototipo di questo ASIC. Nel primo capitolo viene introdotto l’esperimento TRISTAN e viene motivata la scelta della tecnologia SDD per l’acquisizione dello spettro; nel secondo capitolo vengono descritte in dettaglio le funzionalità di Ettore; il terzo capitolo riguarda il progetto delle PCB utilizzate nelle attività sperimentali; nel quarto capitolo è mostrato l’assemblaggio del setup, e sono riportati i risultati sperimentali ottenuti. Nell’ultimo capitolo sono introdotti gli sviluppi futuri delle attività del laboratorio nell’ambito del progetto TRISTAN.