Contribution to the scintillation detection optimization in double phase detectors for direct detection of dark matter

Abstract

Na última década, foram feitos grandes progressos no desenvolvimento dos detetores de deteção direta das partículas que constituem a matéria negra. Com estratégias do aumento gradual do volume do alvo e, simultaneamente, de redução dos níveis de fundo, a experiência XENON obteve resultados muito bons e perspetivas promissoras para a deteção de matéria negra. Tarefas relativas à análise de dados experimentais adquiridos com o detetor de dupla fase em uso, assim como as simulações do campo elétrico, desenvolvimento, montagem e testes para o próximo detetor XENON1T, assim como a participação regular na manutenção geral e monitorização do protótipo atual XENON100 no LNGS, constituiram o plano de trabalhos para as atividades de investigação do presente doutoramento e a minha contribuição para a otimização da deteção de cintilação nos detetores da experiência XENON. A necessidade de alcançar níveis elevados de sensibilidade, requer inovação em todos os aspetos físicos do detetor, assim como a redução de todas as fontes de radioatividade que contribuem para o fundo. O modo mais indicado de operação para os detetores com enchimento a Xe no estado líquido e gasoso envolve a medição da cintilação primária e da secundária provenientes da interação das partículas no Xe líquido. A razão entre estes dois sinais permite diferenciar claramente a maior parte dos eventos correspondentes as fundo dos eventos correspondentes a WIMPs. Deste modo, a leitura dos sinais correspondentes à cintilação é de extrema importância. A amplitude do sinal de cintilação antes dos fotossensores é maximizada através da otimização de vários parâmetros, tais como a geometria do alvo do detetor, a transparência das grelhas dos elétrodos, a uniformidade do ganho em cintilação secundária e a utilização de material reflectivo para cobrir as superfícies que não são fotossensíveis.

In the past decade, tremendous advances have been made in the development of detectors to be used for direct interaction of dark matter particles. With the gradual increase of target fiducial mass and simultaneous reduction of background levels strategies, XENON experiment achieved very good results and promising perspectives for direct Dark Matter detection. Tasks regarding analysis of experimental data acquired with the actual double-phase detector, as well as electric field simulations, development, assembly and tests of the next XENON1T detector and the regular participation in general maintenance and monitoring of the actual XENON100 prototype at LNGS, constituted the work plan of this PhD research activity and my contribution for optimizing the scintillation detection in XENON detectors. The need to achieve extremely low sensitivities demands for innovation in all aspects of detector physics, such as reducing all sources of radioactivity background. The favored mode of operation for the liquid/gas Xe-based detector involves measuring both primary and secondary scintillation from particle interaction in the liquid. The ratio of these signals allows to clearly differentiate the majority of the background and WIMP events. The scintillation readout is, then, of utmost importance. The scintillation signal amplitude before the photo-sensors is maximized also by the optimization of several parameters such as the detector target geometry, electrode meshes transparency, secondary scintillation gain uniformity and reflective material used to cover the non-photosensitive surfaces.