Design and validation of planar setups for the characterization of TRISTAN detectors

The existence of sterile neutrino, a subatomic particle which is not affected by weak interaction but only interacts via gravitational forces, is proposed by many theories outside the Standard Model of particle physics. If its mass was in the keV range, it would be a viable dark matter candidate, which can solve many open questions in cosmology and astroparticle physics. The TRISTAN (Tritium Investigations on Sterile to Active Neutrino mixing) project aims at detecting a sterile neutrino signature by measuring the entire tritium β- decay spectrum. To measure the imprint of sterile neutrinos, the TRISTAN project will extend the KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment) setup with a new multi-pixel Silicon Drift Detector (SDD) system, which will have to be able to handle high signal rates with an excellent energy resolution. In this context, this thesis focuses on the design and the subsequent validation of in-air and in-vacuum planar setups to characterize the SDD-based TRISTAN detectors. In particular, the first part of this work was devoted to the design, realization and testing of a bias system for the 166-pixel in-air setup. This bias system, called Lifeboard, allowed to perform the first X-ray spectroscopy measurements to characterize the 166-pixel SDD-based detector, which is a relevant milestone in this field. After these preliminary characterization measurements, a long time stability measurement has been performed to test the stability of the system in terms of energy resolution and channels gain as a function of time and temperature variations. The last part of this thesis explains the reasons why a vacuum testing setup is needed and its main goals, illustrating the already existing in-vacuum 12-pixel setup located in the Department of Physics of Milano-Bicocca University. This part focuses on the importance of modelling the SDD detector response to electrons, which are here generated and accelerated against the detector by a photoelectric based electron gun, and it describes the backscattering mechanism. Understanding these interactions is fundamental for the final TRISTAN experiment to analyse the tritium β- decay spectrum. The thesis work here regarded the development of a new vacuum-air interconnection system to move from the 12-pixel setup to the 47-pixel one. Finally, a description of all the improvements of the novel 47-pixel vacuum setup is reported alongside with the illustration of the new in-air interconnections and their mapping.

L’esistenza del neutrino sterile, una particella subatomica che non viene influenzata dall’interazione debole ma interagisce solo tramite la forza di gravità, è sostenuta da diverse teorie che vanno oltre il Modello Standard della fisica delle particelle. Se la sua massa risultasse nel range dei keV, il neutrino sterile potrebbe essere un possibile candidato per la materia oscura e ciò potrebbe risolvere molte domande aperte riguardanti la cosmologia e la fisica delle astroparticelle. Il progetto TRISTAN (Tritium Investigations on Sterile to Active Neutrino mixing) mira a rilevare la firma del neutrino sterile misurando l’intero spettro del decadimento β- del trizio. Per misurare l’effetto del neutrino sterile, il progetto TRISTAN estenderà il setup di KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment) con un nuovo sistema multi-pixel di Silicon Drift Detectors (SDD), il quale dovrà essere in grado di gestire alti tassi di conteggio di segnali con un’eccellente risoluzione energetica. In questo contesto, questa tesi si focalizza sulla progettazione e la successiva verifica dei setup planari in aria e in vuoto per caratterizzare i rilevatori a SDD di TRISTAN. In particolare, la prima parte di questo lavoro è stata dedicata alla progettazione, alla realizzazione ed ai test di un sistema di alimentazione per il setup in aria a 166-pixel. Questo sistema di alimentazione, chiamato Lifeboard, ha permesso di eseguire le prime misure di spettroscopia a raggi X per caratterizzare il rilevatore a 166-pixel basato su SDD, che è un traguardo importante in questo campo. Dopo queste misure preliminari di caratterizzazione, una lunga misura di stabilità è stata effettuata per testare la stabilità del sistema in termini di risoluzione energetica e di guadagno dei canali, in funzione del tempo e delle variazioni di temperatura. La parte finale di questa tesi spiega le ragioni per cui è necessario un setup di test in vuoto e i suoi principali obiettivi, mostrando il setup in vuoto a 12-pixel già esistente ed ubicato nel Dipartimento di Fisica dell’Università di Milano-Bicocca. Questa parte si focalizza sull’importanza di modellizzare la risposta del rilevatore SDD agli elettroni, che qui sono generati ed accelerati contro il rilevatore da un cannone elettronico basato sull’effetto fotoelettrico, e descrive il meccanismo di backscattering. Comprendere queste interazioni è fondamentale per l’esperimento finale di TRISTAN al fine di analizzare lo spettro del decadimento β- del trizio. Il lavoro di tesi qui ha riguardato lo sviluppo di un nuovo sistema di interconnessione vuoto-aria per passare dal setup a 12-pixel a quello a 47-pixel. Infine, viene riportata una descrizione di tutti i miglioramenti del nuovo setup a 47-pixel, assieme all’illustrazione delle nuove interconnessioni in aria e le loro mappature.