Experimental characterization of an SDD-based monolithic multichannel detection module for the TRISTAN project

Even to these days, the research on the dark matter is ongoing, trying to uncover the mysteries of it. Dark matter is a hypothetical form of matter that is thought to account for about 85% of the total mass in the universe. It is called dark because it does not interact with observable electromagnetic radiation, hence its detection is extremely difficult. Its presence can explain some astrophysical observations, like gravitational effects that cannot be explained unless more matter than what can be seen is present. The candidate particle for the dark matter composition must be, for obvious motivations, some new kind and it must be included in the weakly interacting massive particles. The chosen particle can be the active neutrino, a subatomic particle in the standard model, considered as a promising candidate since it interacts only with the weak nuclear force and gravity. To support this hypothesis, the KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino) was born. Its aim is to measure the mass of the neutrino from the measurement of only the endpoint region of the tritium beta-decay spectrum. Looking at the results, the active neutrinos account for only a small fraction of dark matter due to their tiny mass. A new particle must be found. The sterile neutrino is another type of neutrino that has been hypothesized as the missing part of this mass, and to find it the TRISTAN (TRitium Investigation on STerile to Active Neutrino mixing) experiment was born. In contrast to the KATRIN experiment, that measured only the endpoint region of the tritium beta-decay, TRISTAN observed the full spectrum of it, searching for the signature of this neutrino. While basically different, the two experiment share almost the same setup, with the major difference in the detection system. In KATRIN we have a monolithic PIN diode array of 148 pixels, with energy resolution of about 1.4 keV FWHM at 5.9 keV, instead TRISTAN aims to have a matrix of 3486 SDD pixels arranged into 21 modules, with each module containing a 166-SDD array with a resolution of <200 eV FWHM at 6 keV. This thesis follow the development of the detector for TRISTAN, in particular: the design of the detection module in preparation for the 166-SDD array, the characterization of the detection module through a noise setup and the experimental characterization of the 12-pixel SDD and 47-pixel SDD, using a Fe-55 source. This characterization is done because the design of the final 166 detector was done step by step, starting from a single pixel till arriving to the 47 pixels one. In this way all the possible errors that could arise from the production to the detection boards have been studied and fixed in the following steps. To outline better the research that has been carried out, the thesis is organized as follows: Chapter I: Introducing the concept of dark matter, Chapter I presents the KATRIN and TRISTAN experiments. Being TRISTAN the one in which this thesis is focused, we have even a brief presentation of its readout chain. Chapter II: Chapter II continues with the presentation of the main detector of TRISTAN SDD (Silicon Drift Detector) with its functionalities and the reasons for its choice in the experiment. After that we have an overview of ETTORE, a 12-channel ASIC that performs the first amplification and filtering of the signal of interest. Finally there is the presentation of the functionalities of SFERA, a low-noise fully programmable readout ASIC, for the analog shaping of the signals coming from the charge preamplifier. SFERA is not currently used in the experiment, however it is presented as a good member for the analog readout of the experiment. Chapter III: The Chapter III shows the experimental characterization of two setups, the 12 channels and the 47 channels. Firstly, all the boards of the two setups are introduced, with an explanation of their features. Then the real measurement, with all the passages that lead to them, are shown. Chapter IV: A presentation of the noise test setup begin this chapter. After describing the desired operation, a study is carried out on the other possible noise sources. Subsequently, the physical components and the bias points, necessary for a correct functioning of the system, are selected. At the end there are the measurements made with the setup created and the conclusions connected to them. Chapter V: The description of the test board for the 47-pixel detector is present. Subsequently the schematics and the real components used are shown. The chapter closes with a working board, with screenshots and images of the measurements taken. Chapter VI: This is the conclusion chapter, introducing the future developments on the project and activities related to the TRISTAN project.

La ricerca sulla materia oscura è, ai giorni nostri, tutt'ora in corso, al fine di comprenderne i misteri. Essa è un'ipotetica parte della materia che si pensa componga l'85% della massa totale dell'universo. È chiamata oscura perché non interagisce con nessuna radiazione elettromagnetica osservabile, rendendone la sua identificazione particolarmente complessa. La sua presenza potrebbe spiegare alcune osservazioni astrofisiche, quali gli effetti gravitazionali non spiegabili se non con l'esistenza di più materia rispetto a quella visibile. La particella candidata alla composizione della materia oscura occorre che sia, per ovvie ragioni, una particella nuova, e compresa tra quelle massive debolmente interagenti. La scelta di tale particella potrebbe ricadere sul neutrino attivo, una particella subatomica presente nel modello standard, considerato promettente per via della sua interazione unicamente con la forza nucleare debole e con la gravità. Per supportare tale tesi, è nato l'esperimento KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino). Il suo scopo è misurare la massa del neutrino attivo dall'osservazione della regione di endpoint dello spettro di decadimento beta del trizio. Sulla base dei risultati ottenuti, si è rilevato come i neutrini attivi compongano solo una parte della materia oscura, a causa della loro massa particolarmente esile, rendendo perciò necessaria la ricerca di una nuova particella. Il neutrino sterile è un altro tipo di neutrino che è stato ipotizzato come tassello mancante del puzzle, per il quale nasce il progetto TRISTAN (TRitium Investigation on STerile to Active Neutrino mixing). Diversamente dall'esperimento KATRIN, che misura solo la regione di endpoint del decadimento beta del trizio, TRISTAN osserva lo spettro nella sua interezza, cercando un segno visibile della presenza del neutrino sterile. Anche se essenzialmente diversi, i due esperimenti utilizzano lo stesso tipo di apparato sperimentale, avendo come differenza maggiore il vero e proprio rivelatore. In KATRIN abbiamo un array monolitico di diodi PIN composto da 148 pixels, con una risoluzione di energia di circa 1.4 keV FWHM a 5.9 keV, invece TRISTAN punta ad ottenere un rivelatore basato su SDD di 3486 pixels suddivisi in 21 moduli. Ciascun modulo contiene una matrice monolitica di 166 SDD con una risoluzione FWHM migliore di 200 eV a 6 keV. Questa tesi segue lo sviluppo del rivelatore per TRISTAN, in particolare: il design di moduli di rivelazione in preparazione al 166 canali finale, la caratterizzazione dei sistemi di misura tramite un setup di rivelazione del rumore e la caratterizzazione sperimentale di due detector reali, il 12 pixels e il 47 pixels, utilizzando una sorgente radioattiva di Fe-55. Tale caratterizzazione è stata effettuata perché il design del detector finale a 166 pixels necessita di una costruzione passo dopo passo, partendo dal pixel singolo e aumentando gradualmente il numero di pixel tra una fase del progetto e la successiva. In questo modo, tutti i possibili errori derivanti dalla produzione dei rivelatori o delle schede di rivelazione elettronica possono essere studiati e corretti in maniera efficace. Per meglio delineare la ricerca svolta, la tesi è strutturata come segue: Capitolo I: Introducendo il concetto di materia oscura, il Capitolo I presenta gli esperimenti KATRIN e TRISTAN. Essendo TRISTAN l'esperimento cardine di questa tesi, viene presentata anche la sua catena di acquisizione. Capitolo II: Con il Capitolo II si prosegue con la presentazione del rivelatore principale di TRISTAN con le sue caratteristiche di funzionamento e le motivazioni per la sua scelta nell'esperimento. Dopodichè, si procede all'introduzione di ETTORE, un ASIC a 12 canali che esegue una prima amplificazione e un primo filtraggio dei segnali provenienti dal rivelatore. Infine, si presentano le funzionalità di SFERA, un ASIC low noise, per lo shaping analogico dei segnali provenienti dal preamplificatore di carica, completamente programmabile. SFERA, seppur non utilizzato nell'esperimento, viene presentato in quanto rappresenta un ottimo candidato come metodo di acquisizione nelle fasi iniziali di caratterizzazione del nuovo rivelatore. Capitolo III: Con il Capitolo III si espone la caratterizzazione sperimentale di due setup, il 12 pixels e il 47 pixels. Inizialmente, vi è un'introduzione alle schede dei due setup e alle loro funzionalità. Successivamente, vengono mostrate le misure reali, con tutti i loro passaggi. Capitolo IV: In questo capitolo si presenta il setup di test del rumore del JFET integrato nel rivelatore. Dopo aver descritto il funzionamento desiderato, viene effettuato uno studio sulle altre sorgenti di rumore. Successivamente, vengono selezionati i componenti discreti e i punti di polarizzazione necessari per un corretto funzionamento del sistema. Infine, vi sono le misure effettuate con il setup connesso ad un rivelatore e le conclusioni ad esse connesse. Capitolo V: All'interno del Capitolo V si ritrova la descrizione della board di test per il setup a 47 pixels. Successivamente vengono mostrati gli schematici e i componenti utilizzati. In conclusione viene posta la descrizione della board funzionante, con allegate le immagini delle misure effettuate. Capitolo VI: Conclusioni e presentazione dei successivi sviluppi e delle attività programmate nel progetto TRISTAN.