Authors:	Sissol, Pierre Dominik
Title:	MainzTPC: Detector Commissioning and Study of the Low-Energy Response of Electronic Recoils in Liquid Xenon for Dark Matter Applications
Online publication date:	9-Feb-2020
Year of first publication:	2020
Language:	english
Abstract:	Direct Dark Matter detection is an ongoing and quickly developing eld in astroparticle physics, aiming to measure the scattering of Dark Matter particles with Standard Model particles. With detectors searching for predicted Dark Matter particles and narrowing the parameter space over the last three decades, the technological approach becomes more and more challenging. Today the best limits on Dark Matter mass and cross-section are set by dual-phase xenon time projection chambers (TPC). To increase their sensitivity, a deeper understanding of the physical processes in xenon with respect to the energy deposit by impinging particles is crucial. The MainzTPC is a small dual-phase xenon time projection chamber which was co-developed and commissioned in the course of this thesis. Its main goal is to study the scintillation S1 and ionization response of liquid xenon from low-energy electronic and nuclear recoils. Two signals are measured: The primary signal S1 originates from prompt scintillation after the scattering interaction. The secondary signal S2 is the charge signal created in the gas phase. It is proportional to the number of extracted electrons. The MainzTPC also provides a 3D position reconstruction which allows the definition of a fiducialized volume inside the TPC. The charge-to-light ratio for electronic recoils generally is larger than for nuclear recoils which leads to a discrimination method for background events undergoing interactions with the electronic shell of the xenon atoms, such as gamma-rays or electrons. Like neutrons, Dark Matter is expected to scatter on a xenon nucleus. For the low-energy region, this distinction becomes less reliable. The measurement of light and charge yields for liquid xenon for energy deposits down to only a few keV is necessary to improve on this discrimination tool. The experimental part of this dissertation describes the MainzTPC detector as well as its surrounding subsystems which are necessary for operation. The emphasis is set on the data acquisition system, which was developed in the course of this thesis and was used to record the data from Compton scattering as well as neutron scattering. The data presented here are Compton measurements conducted at the nELBE facility at the HZDR. In the analysis part the MainzTPC as a prototype is characterized and examined for its various properties, such as the 3D position reconstruction employing avalanche photodiodes, the determination of the liquid level inside the TPC, signal corrections for S1 and S2 as well as several other parameters (electron drift velocity, electric field strengths in the gas phase, and so on). The light and charge yields of the MainzTPC were measured and show qualitatively similar results as simulations from [1] and previous measurements from [2]. The performance of the MainzTPC is limited by a series of factors, which are described in detail in the analysis part. Examples are a high noise level on the photomultipliers limiting the low-signal detection and the non-feasible TPC calibration data. For future measurements, necessary improvements are discussed. Die direkte Suche nach Dunkler Materie (DM) ist ein sich ständig weiterentwickelndes Feld der Astroteilchenphysik mit dem Ziel, die Streuung von DM-Teilchen mit Teilchen des Standardmodells zu messen. Die fortlaufende Einschränkung des Parameterraums bei der Suche nach den vorhergesagten DM-Teilchen während der letzten drei Dekaden führt zu immer größeren technologischen Herausforderungen. Heutzutage werden die besten Limits für die Masse und den Wirkungsquerschnitt von Dunkler Materie mithilfe von Zweiphasen-Xenon-Zeitprojektionskammern (TPC) bestimmt. Um deren Sensitivität zu verbessern, ist ein tieferes Verständnis der physikalischen Prozesse bezüglich Streuung von Teilchen in Xenon ausschlaggebend. Die MainzTPC ist eine kleine Zweiphasen-Xenon-Zeitprojektionskammer, die im Verlauf dieser Arbeit mitentwickelt und aufgebaut wurde. Ihre Hauptaufgabe ist die Untersuchung der Szintillation S1 und der Ionisation in flüssigem Xenon, die durch niederenergetische elektronische und nukleare Rückstöße erzeugt werden. Zwei Signale werden gemessen: Bei der Streuung im flüssigen Xenon entsteht Szintillationslicht, das primäre Signal S1. Das sekundäre Signal S2 ist das in der Gasphase generierte Ladungssignal und ist proportional zur Anzahl der extrahierten Elektronen. Eine 3D-Positionsrekonstruktion erlaubt außerdem die Definition eines Vertrauensvolumens innerhalb der TPC. Für elektronische Rückstöße wird generell ein größeres Verhältnis von Ladung zu Licht als für Kernrückstöße gemessen. Dies kann als Diskriminationsmethode für Hintergrundereignisse verwendet werden, die mit der Elektronenhülle der Xenonatome wechselwirken. Ähnlich wie bei Neutronen erwartet man für Dunkle Materie eine Streuung am Kern. Im niederenergetischen Bereich ist diese Methode nicht mehr eindeutig. Die Messung von Licht- und Ladungsausbeute für flüssiges Xenon bei deponierten Energien im Bereich weniger keV ist notwendig, um dieses Diskriminationswerkzeug zu verbessern. Der experimentelle Teil dieser Dissertation beschreibt den Detektor MainzTPC sowie seine Subsysteme, die für Betrieb und Experiment notwendig sind. Der Schwerpunkt wurde auf das Datennahmesystem gelegt, welches als Teil dieser Arbeit entwickelt wurde und sowohl für Comptonstreuung als auch für Neutronenstreuung zum Einsatz kam. Die hier präsentierten Daten von Comptonmessungen wurden am HZDR durchgeführt. Im Analyseteil wird die MainzTPC bezüglich ihrer unterschiedlichen Eigenschaften charakterisiert und untersucht. Beispiele sind die 3D-Positionsrekonstruktion mithilfe von Avalanche-Photodioden, die Bestimmung des Flüssigkeitslevels innerhalb der TPC, Signalkorrekturen für S1 und S2 usw. Die Licht- und Ladungsausbeute der MainzTPC wurden gemessen und qualitativ mit Simulationen von [1] und früheren Messungen von [2] verglichen. Sie zeigen ähnliche Ergebnisse. Die Leistungsfähigkeit der MainzTPC ist durch eine Reihe von Faktoren beschränkt, wie beispielsweise einem hohen Rauschpegel, der die Detektion kleinster Signale verhindert, und die nicht verwendbaren Kalibrationsdaten für die TPC. Notwendige Verbesserungen für zukünftige Messungen werden dargelegt.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2678
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000033389
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	XI, 348 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen