Continuous Calibration and Monitoring for LZ dark matter experiment

Abstract

A experiência LZ (LUX-ZPLIN) é um detetor de matéria escura com o objetivo de detetar os recuos nucleares induzido por interações de WIMP (Weakly Interacting Massive Particles).O detetor, situado na Davis Cavern do laboratório SURF (Sanford Underground Research Facility) nos Estados Unidos, a uma profundidade de 1478 m, consiste numa câmara de projeção temporal de duas fases com 7 toneladas de xénon liquido equipada com 494 fotomultiplicadores. Esta tecnologia permite reconstruir a posição e a energia de interações que ocorrem no xénon liquido através dos sinais luminosos medidos pelos fotomultiplicadores.Nesta tese apresentam-se métodos utilizados pela experiência LZ para a reconstrução da posição e da energia depositada pelas partículas ao interagir com o detetor. No trabalho desenvolvido aperfeiçoou-se o procedimento para gerar um modelo de resposta à cintilação e desenvolveram-se novos métodos para uniformizar esta resposta, permitindo melhorar significativamente a prestação dos algoritmos existentes. Além disso, com uma abordagem baseada no conceito de calibração contínua com dados de fundo, foi possível medir o perfil de saturação dos fotomultiplicadores e monitorizar o seu ganho utilizando apenas dados de fundo do detetor sem a necessidade de recorrer a fontes de calibração dedicadas. Estas técnicas permitem obter uma resolução de energia de (0,67±0.01)% para uma energia de 2611 keV, próxima da linha de energia do decaimento duplo beta sem neutrinos do Xe-136 (2458 keV). Em relação à reconstrução da posição, obteve-se uma resolução de, no máximo, 1.35±0.13 mm para uma energia depositada de 164 keV correspondente ao decaimento do Xe-131m.O desenvolvimento do sistema de controlo de LZ (slow control) foi outra das tarefas alcançadas neste trabalho. Neste contexto foram desenvolvidos várias interfaces gráficas, o sistema de alarmes e vários scripts de automação. Estes contribuíram para a realização das principais funções do sistema que são assegurar o funcionamento do hardware e o fornecimento de xénon no detetor, e garantir a segurança do detetor.A complexidade da experiência LZ requer que as operações relacionadas com aquisição de dados sejam acompanhadas por uma análise efetuada em tempo real para possibilitar a monitorizaçãodo estado do detetor e da qualidade dos dados adquiridos. Neste trabalho desenvolveu-se uma interface gráfica que permite efetuar uma análise preliminar dos dados adquiridos pelo detetor.

The LZ (LUX-ZEPLIN) experiment is a dark matter detector located at the Sanford Underground Research Facility (SURF) in the United States. Its main scientific objective is the direct detection of Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs). The detector features a dual-phase TPC with the active volume containing 7 tonnes of liquid xenon, observed by 494 photomultiplier tubes (PMT). This thesis presents the methods used by the LZ experiment to reconstruct the position and energy of interactions occurring in the liquid xenon from the signals measured by the PMTs. The main focus is on the calibration techniques that permit in-situ reconstruction of the PMT light response as a function of event position, determination of their dynamic range and saturation profiles and monitoring of their gain. This work demonstrates that all these calibrations can be performed using only background events in the detector, permitting to continuously monitor the important detector parameters without interruptions to the acquisition of the science data as in the case of the regular calibrations.Using these techniques, a record energy resolution of (0.67±0.01)% at 2614 keV was measured for the whole LZ fiducial volume of 5.6 tonnes of liquid xenon. The unbiased position reconstruction with a resolution of better than 1.35±0.13 mm for 164 keV internal conversion electrons from decaysof Xe-131m isotope is also demonstrated.The Slow Control, one of the most vital systems of the experiment, performs a supervisory control and monitoring of the critical systems of the detector to maintain the stability of the detector operation parameters and guarantee the safety of the detector and the xenon supply. Development and commissioning of the Slow Control was an important part of this work program. The most important tasks performed in this context encompassed the integration of various detector sub-systems with the experiment control, development of the user interface, alarm propagation system and automation procedures to be executed during operations.Given the complexity of the LZ experiment, the operations involving data acquisition are accompanied by a real-time analysis. This task, to be executed by the Underground Processing Monitor, permits to monitor the state of the detector and the quality of the data trhough a graphical user interface. The development of such an interface was also achieved within the framework of this thesis.