Water Cherenkov detection of high-energy particles: development and analysis

The detection of high-energy cosmic rays and secondary particles, such as muons, is crucial for understanding astrophysical phenomena and the composition of the universe. Water Cherenkov Detectors (WCDs) effectively capture these events by detecting Cherenkov radiation emitted when charged particles travel faster than the speed of light in water. This thesis presents the development and characterization of a WCD prototype at Politecnico di Milano, designed as a small-scale testbed for future large-scale arrays like the Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO). The prototype consists of a 300-liter tank equipped with a photomultiplier tube (PMT) and a light-isolation system to enhance signal detection. A larger 3-meter tank was also tested to evaluate scaling effects and detection efficiency under different conditions. Spectral analyses conducted during both day and night revealed the impact of environmental noise. Additionally, a muonic telescope using scintillating tiles and silicon photomultipliers was integrated to refine event discrimination, enabling the identification of high-energy muons and improving background noise rejection. Its implementation allowed for cross- verification of signals detected in the WCDs, enhancing overall detection reliability and providing valuable data for flux analysis. Furthermore, coincidence measurements between the two tanks showed that most detected coincidences resulted from random muon showers rather than true correlated events. A Finite Element Method (FEM) analysis of the PMT support structure assessed mechanical stability, ensuring robustness for long-term deployment. Future work will focus on constructing additional tanks, refining coincidence detection, and conducting extended data acquisition campaigns to improve detection accuracy and environmental resilience.

La rilevazione di raggi cosmici ad alta energia e di particelle secondarie, come i muoni, è fondamentale per comprendere i fenomeni astrofisici e la composizione dell’universo. I rivelatori Cherenkov in acqua (WCD) catturano efficacemente questi eventi rilevando la radiazione Cherenkov emessa quando particelle cariche viaggiano più velocemente della luce nell’acqua. Questa tesi presenta lo sviluppo e la caratterizzazione di un prototipo di WCD presso il Politecnico di Milano, progettato come banco di prova in scala ridotta per future reti su larga scala, come il Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO). Il prototipo è costituito da un serbatoio da 300 litri dotato di un tubo fotomoltiplicatore (PMT) e di un sistema di isolamento dalla luce per ottimizzare la rilevazione del segnale. È stato inoltre testato un serbatoio più grande da 3 metri per valutare gli effetti di scala e l’efficienza di rilevamento in diverse condizioni. Le analisi spettrali condotte sia di giorno che di notte hanno rivelato l’influenza del rumore ambientale. Inoltre, è stato integrato un telescopio muonico con piastre scintillanti e fotomoltiplicatori al silicio per affinare la discriminazione degli eventi, consentendo l’identificazione di muoni ad alta energia e migliorando il filtraggio del rumore di fondo. La sua implementazione ha permesso la verifica incrociata dei segnali rilevati nei WCD, migliorando l’affidabilità complessiva della rilevazione e fornendo dati preziosi per l’analisi del flusso. Inoltre, le misure di coincidenza tra i due serbatoi hanno mostrato che la maggior parte delle coincidenze rilevate erano dovute a sciami di muoni casuali piuttosto che a eventi realmente correlati. Un’analisi tramite il Metodo degli Elementi Finiti (FEM) sulla struttura di supporto del PMT ha valutato la stabilità meccanica, garantendo robustezza per un utilizzo a lungo termine. I lavori futuri si concentreranno sulla costruzione di serbatoi aggiuntivi, sul perfeziona- mento del rilevamento di coincidenze e sulla realizzazione di campagne di acquisizione dati prolungate per migliorare la precisione della rilevazione e la resilienza ambientale.