Authors:	Schindler, Stefan
Title:	An improved signal model for a dual-phase xenon TPC using Bayesian inference and studies on the software trigger efficiency of the XENON1T DAQ system
Online publication date:	1-Feb-2021
Year of first publication:	2021
Language:	english
Abstract:	Understanding nature has always been one of the most driving factors for mankind to invest huge amounts of effort and resources into research and development. The most fundamental questions have always been how the universe came to be and in what direction it will develop in the future. To answer these questions, we have to step back and first find the answer to the even more fundamental question: What exactly is our universe made of. Recent experiments, like the Planck satellite mission, gave us already a sophisticated plan on what to expect of the composition of the universe. But even with today's advanced technology, where everybody carries around a powerful computer in his pocket in form of a smartphone, we are only able to grasp less than 5% of the whole: Ordinary baryonic matter. While studying these ~5% ordinary matter is still a very active field of research, there is already a rapidly growing community that tries to tackle the next question: What is the rest of the Universe made of and what is Dark Matter? With all the observational evidences being present, the science community has long accepted the fact, that there has to be a form of matter that has not been detected yet. It is also known, that it has a roughly 5 times higher abundance than ordinary baryonic matter. Discovering these next ~25% would be a major step towards a more substantial understanding of how our universe developed since its sudden appearance after a big bang roughly 14 billion years ago. This thesis has been written while being part of the XENON Dark Matter search project. This collaboration of scientists is on the hunt for WIMP, one of the most promising candidates for Dark Matter, using time projection champers (TPCs) filled with liquid xenon (LXe). These ultra low background detectors are located in the underground facilities of the Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italy. The most recent generation is the XENON1T experiment, using a total 3.2t of xenon and being equipped with 248 photo multiplier tubes (PMTs) used for measuring particle interactions through flashes of light. Right now, the commissioning of the next generation experiment XENONnT is already ongoing. It will use even more xenon, will be equipped with additional PMTs and even a novel neutron veto. This work has two focus topics: First, the data driven determination of the software trigger efficiency of the XENON1T data acquisition (DAQ) system. It has been an important cross-check of the performance and adjustment of the software part of the DAQ system. The trigger efficiency is a main factor, that greatly influences the sensitivity of the detector. If the detector is tuned to be too sensitive in the wrong range, e.g. too much noise from coincidental dark counts would be recorded. On the other hand will a badly tuned efficiency lead to many missed low energy events, which is the main energy region WIMP interactions are expected. The second part of this work deals with the development of an improved signal model and a more general introduction of the signal efficiency together with an extended spatial signal dependence. Dealing with these topics, this work tries to add new pieces to the puzzle and support the efforts of the XENON collaboration to solve the mysteries of Dark Matter. Die Natur zu verstehen, war schon immer einer der treibenden Faktoren der Menschheit, um viel Aufwand und Ressourcen in Forschung und Entwicklung zu investieren. Eine der fundamentalsten Fragen ist hierbei wie das Universum entstand und in welche Richtung es sich entwickelt. Um diese Fragen zu beantworten, gilt es vorher anzusetzen und die noch fundamentalere Frage zu stellen: Aus was besteht unser Universum überhaupt? Jüngste Experimente, wie die Planck Satelliten-Mission, haben bereits einen Einblick gegeben, wie die Zusammensetzung des Universums beschaffen ist. Aber sogar mit der modernen Technik von heute, in der jeder einen Computer in Form eines Smartphones bei sich trägt, ist man bisher nur in der Lage ca. 5% des Ganzen zu begreifen; gewöhnliche baryonische Materie. Während die Erforschung dieser 5% immer noch ein aktives Forschungsfeld darstellt, gibt es mittlerweile eine schnell wachsende Community, die bereits versucht die nächste Frage zu lösen: Aus was besteht der Rest des Universums und welche Rolle spielt die Dunkle Materie ? Auf Grundlage der kosmischen Beobachtungen, ist es in der Wissenschaft eine anerkannte Tatsache, dass es eine noch unbekannte Form der Materie geben muss, die eine fünf Mal höhere Abundanz als normale baryonische Materie aufweisen muss. Diese nächsten ~25% zu entdecken wäre ein großer Schritt in Richtung eines grundlegenderen Verständnisses, wie sich das Universum seit seiner plötzlichen Entstehung nach dem Big-Bang, vor ungefähr 14 Milliarden Jahren, entwickelt hat. Die vorliegende Arbeit wurde als Teil des „XENON dark matter search projects“ angefertigt. Diese Kollaboration von Wissenschaftlern ist auf der Suche nach WIMP, einem der erfolgversprechendsten Kandidaten für Dunkle Materie. Hierzu werden mit flüssigem Xenon (LXe) gefüllte Zeitprojektionskammern (TPCs) mit besonders geringem Hintergrund genutzt, die sich im Untergrundlabor Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italien befinden. Die aktuellste Generation ist das XENON1T Experiment, mit einer Masse von insgesamt 3.2t Xenon und 248 Photosensoren (PMTs), die die während der Teilchen-Interaktionen entstehenden Lichtblitze detektieren. Derzeit findet bereits der Aufbau des Nachfolgeexperiments XENONnT statt. Es wird eine noch höhere Masse an Xenon nutzen, mit noch mehr Photosensoren ausgestattet sein und darüber hinaus ein neu entwickeltes Neutronen-Veto besitzen. Die Arbeit behandelt zwei Schwerpunkte: Zum einen, die datengetriebene Auswertung der Software-Trigger Effizienz des XENON1T Datennahme-Systems (DAQ). Diese Studie liefert einen wichtigen Cross-Check über die Leistung und Einstellung des Systems, da die Trigger-Effizienz ist ein maßgeblicher Faktor für die Sensitivität des Detektors ist. Ist der Detektor falsch abgestimmt, werden unter Umständen wichtige Events im unteren Energiebereich verpasst (hier werden die WIMP Interaktionen erwartet), oder es wird zu viel Hintergrund gemessen, z.B. Koinzidente Dark-Counts. Zum anderen, befasst sich die Arbeit mit der Entwicklung eines verbesserten Signal-Modells in Verbindung mit einer grundlegenderen Behandlung der Signal-Effizienzen und der erweiterten Ortsabhängigkeit des Signals. Die Studien in dieser Arbeit versuchen dem Puzzle ein weiteres Teil hinzuzufügen und unterstützen hierbei auch die Anstrengungen der XENON Kollaboration das Mysterium der Dunklen Materie aufzulösen.
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-5601
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-530411a0-b8e5-4c0b-a257-60e51315a6782
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	CC BY
Information on rights of use:	https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.en
Extent:	116, XXXV Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen