Qualificazione sperimentale di rivelatori SIPM a temperatura criogenica per applicazione alla ricerca della materia oscura

Dark matter is one of the most discussed topics in modern cosmology. During last century several observations provided support to the hypothesis of its existence but a direct detection has not been confirmed yet. This open challenge must be faced by developing new experimental setups that have to be more sensitive but capable at the same time to reject signals coming from other sources. Those setups usually featured scintillator crystals coupled with PhotoMultiplier Tubes (PMT) to collect their emitted light. In recent years, Silicon PhotoMultiplier (SiPM) technology has improved over PMTs in terms of performances and has already been used in physics experiments. The Astaroth experiment aims to improve the results of the previous DAMA experiment, which first detected a signal that is compatible with the dark matter models developed until now, by using SiPM technology to detect light emitted by NaI(Tl) scintillator crystals and targeting an energy threshold in the order of 1 keV. In order to get the expected results, it is required to keep SiPM detectors at low temperature (<150 K) and to optimize the operating conditions of the crystal-detector-electronics system. Properties and performances of SiPM detectors of different technologies are not completely known for the temperature range of interest, so an experimental characterization is mandatory to validate their use in the final setup. The experimental measurements have to be performed in the same conditions as the final situation requires, at low temperature, so that the development of dedicated cryogenic setups and techniques is needed. This thesis work deals with the experimental characterization of a candidate SiPM detector for the Astaroth experiment, spanning a large range of temperature by means of a dedicated cryogenic setup. A first gamma spectroscopic measurement at low temperatures is then presented, featuring a scintillator crystal of the Astaroth experiment and the SiPM detector.

La materia oscura è uno degli argomenti più dibattuti della cosmologia moderna. Nel corso dell’ultimo secolo numerosi indizi hanno portato all’ipotesi della sua esistenza ma una sua osservazione diretta non è mai stata confermata e rimane una sfida aperta. Sfida che deve essere affrontata sviluppando nuovi apparati sperimentali, sempre più sensibili ma al tempo stesso in grado di rigettare segnali provenienti da altre fonti. Questi apparati fanno uso di diversi tipi di scintillatori a cui storicamente si accompagnavano tubi fotomoltiplicatori (PMT) per raccoglierne la luce. Negli ultimi anni la tecnologia dei fotomoltiplicatori al silicio (Silicon PhotoMultiplier o SiPM) ha superato in termini di prestazioni i PMT ed è già stata utilizzata in esperimenti di fisica. L’esperimento Astaroth ha l’obiettivo di migliorare i risultati del precedente esperimento DAMA, che per primo ha osservato un segnale attribuibile alla presenza di materia oscura, utilizzando SiPM come rivelatori della luce emessa da cristalli di NaI(Tl) e puntando ad ottenere una soglia energetica dell’ordine di 1 keV. Per raggiungere le prestazioni attese è essenziale mantenere i rivelatori SiPM a bassa temperatura (<150 K) ed ottimizzare le condizioni operative dell’apparato cristallo-rivelatore-elettronica. Le proprietà dei rivelatori SiPM in quell’intervallo di temperatura non sono completamente note per le diverse tecnologie disponibili per cui la loro caratterizzazione sperimentale in laboratorio è essenziale per poterne validare l’uso nell’esperimento. Le misure sperimentali devono essere condotte nelle stesse condizioni di utilizzo finale, alle basse temperature richieste, e quindi richiedono lo sviluppo di apparati e tecniche criogeniche dedicate. In questa tesi si discute la caratterizzazione sperimentale e la modellizzazione di un rivelatore SiPM, candidato per l’esperimento Astaroth, in un ampio intervallo di temperature mediante un apparato criogenico dedicato. Inoltre, si illustrano i risultati di una prima misura di spettroscopia gamma effettuata con il cristallo scintillatore dell’esperimento Astaroth a bassa temperatura con lettura a SiPM.