Le misure di guadagno e di dark rate sono state effettutate per differenti valori di tensione a una temperatura ∼ 29oC. A valori di tensione di alimentazione relativamente bassi
(VA< 68 V) non `e possibile distinguere la presenza di picchi di fotoelettrone.
I valori di differenza di potenziale utilizzati sono 68 V, 68.5 V, 69 V, 69.5 V e 70 V. In Fig. 3.11 e 3.12 sono riportati gli andamenti rispettivamente del valore di guadagno e del valore di dark rate al variare della tensione di alimentazione.
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E evidente che all’aumento della tensione corrisponde sia l’aumento del guadagno che del dark rate. Ci`o significa che all’aumentare dell’overvoltage si ha un corrispondente incremento del guadagno del SiPM a discapito per`o di una maggiore rumorosit`a del dispositivo.
Tale fenomeno `e dovuto al fatto che un maggiore overvoltage comporta una maggiore energia cinetica sia per i fotoelettroni primari generati dai fotoni incidenti sia per gli elettroni nella banda di valenza. Nel primo caso la conseguenza `e la formazione di valanghe con un maggior numero di coppie prodotte, nel secondo caso un incremento del numero di coppie elettrone lacuna formatesi per eccitazione termica.
Figura 3.11: Dark rate in funzione della tensione di alimentazione applicata al SiPM.
Figura 3.12: Guadagno in funzione della tensione di alimentazione applicata al SiPM con relativo errore.
Conclusioni
Uno dei principali quesiti della cosmologia e della fisica moderna `e la natura della ma- teria oscura. L’ipotesi della sua esistenza `e supportata da numerose osservazioni di tipo astronomico e cosmologico. Tra i vari candidari al ruolo di particella di materia oscura i principali sono da ricercarsi nelle WIMP: l’esistenza di queste particelle non `e contempla- ta nel Modello Standard, bens`ı in teorie al di l`a del modello standard come ad esempio la teoria della Supersimmetria.
Sono molteplici gli esperimenti volti alla rivelazione della materia oscura, che sfruttano sia tecniche di rivelazione indiretta che diretta. Tra gli esperimenti di ricerca diretta di materia oscura occupa una posizione di rilievo il progetto XENON presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso: questi sono situati sotto 1.4 km di roccia, schermo naturale contro la radiazione cosmica. Tali laboratori a bassissima radioattivit`a ambientale sono il luogo ideale per ospitare un esperimento di tale sensibilit`a. Il rivelatore di XENON, cuore centrale dell’esperimento, `e una TPC a doppia fase riempita di Xeno: la WIMP urta elasticamente un nucleo di Xeno producendo un doppio segnale, sia in carica per ionizzazione che in luce per scintillazione. Il limite inferiore della sezione d’urto raggiunto da XENON100, attualmente in funzione, `e di 2 × 10−45cm2 per interazione indipendente dallo spin per WIMP di massa 55 GeV.
Nell’ottica di un ulteriore sviluppo dell’esperimento sono in fase di studio soluzioni che permettano di migliorare le prestazioni del rivelatore; ad esempio sono in studio tecniche per incrementare la raccolta della luce prodotta dallo Xeno gassoso. Una di tali solu- zioni prevede l’instrumentazione delle pareti laterali con fotorivelatori di tipo SiPM da affiancare ai PMT gi`a usati nella TPC di XENON. Tale implementazione permetterebbe di aumentare la superficie fotosensibile e quindi la raccolta di luce.
Il presente lavoro di tesi si colloca nell’ambito di tale programma di ricerca e sviluppo. Lo scopo di questa tesi `e infatti la scrittura di un programma di acquisizione dati in ambiente LabVIEW per la caratterizzazione in aria di SiPM: tale programma `e quindi stato testato con misure preliminari di pedestallo. Il programma realizzato permette di acquisire dati da 8 canali contemporaneamente visualizzando il segnale in tempo reale con una frequenza massima di ∼ 1.25 kHz. Le forme d’onda cos`ı acquisite sono salvate in un file binario. Le misure effettuate sono quindi state analizzate mediante programmi C++ appositamente preparati. I due parametri considerati nell’analisi dati sono il gua-
dagno e il dark rate: di questi si `e tracciato un andamento in funzione della tensione di alimentazione. Come atteso le misure indicano che ad un aumento della tensione di ali- mentazione del SiPM corrisponde un aumento del guadagno e del dark rate. Ci`o quindi richiede che nell’alimentazione dei SiPM sia trovato un buon compromesso tra guadagno e rumorosit`a del dispositivo.
In conclusione il programma `e stato scritto `e adatto per lo studio di fotorivelatori di tipo SiPM, ma, per la sua natura versatile, `e applicabile anche allo studio di altri dispositivi. Inolte il setup sperimentale realizzato `e risultato adatto all’acquisizione dei dati: il setup per la caratterizzazione in aria di SiPM e il sistema di acquisizione e analisi dati risultano perfettamente idonei agli studi in programma.
Bibliografia
[1] F. Agostini, Caratterizzazione e calibrazione dei fotomoltiplicatori del sistema di veto di muoni per l’esperimento XENON1T, Tesi di Laurea Magistrale, Bologna, 2012/2013
[2] T. R. Cram et al., A complete, high-sensitivity 21 cm hydrogen line survey of M31, Astron. Astrophys. Suppl. Ser., 40, 215-248, 1980
[3] Chung Kao, Neutralino Dark Matter in Supersymmetric Models, Oklahoma, 27/12/2004
[4] R. Casadio, Elements of Relativity, Dispense per il corso ”Elementi di Teoria della relativit`a”, Bologna, 30/09/2014
[5] D. Clowe, A direct empirical proof of the existence of dark matter, arXiv:astro- ph/0608407v1, 19/08/2006
[6] J. Tauber, Latest results from Planck, ISAPP International Summer School ”The Dark Side of the Universe”, Heidelberg, Luglio 2012
[7] R. Tojeiro, Understanding the Cosmic Microwave Background temperature power spectrum, 16/03/2006
[8] G. Tormen, Anisotropie del Fondo Cosmico di Microonde, Dispense per il corso ”Cosmologia”, Padova, 19/12/2010
[9] B. Caccianiga, La Materia Oscura. Corso di Introduzione all’Astrofisica, 2009/2010 [10] Esperimento EROS, http://eros.in2p3.fr/
[11] IRAP (Institut de Recherche en Astrophysique et Plan´etologie), http://www.irap.omp.eu/en/actualites/actu-planck4
[12] T. Montaruli, Flusso dei neutrini atmosferici e ricerca di neutrini astrofisici, Tesi di Dottorato in Fisica, Bari, Febbraio 1998
[13] P. Mishra e T. P. Singh, Galaxy rotation curves from a fourth order gravity, arXiv:1206.3322v1 [astro-ph.GA], 14/06/2012
[14] R. Pesce, Dark Matter particellare e sua rivelazione, Dottorato di Ricerca in Fisica, Genova, 28/07/2005
[15] C. de los Heros, Indirect Dark Detection, ISAPP International Summer School ”The Dark Side of the Universe”, Heidelberg, Luglio 2012
[16] Esperimento KM3NeT, http://www.km3net.org/home.php
[17] M. Di Mauro et al., Dark matter vs. astrophysics in the interpretation of AMS-02 electron and positron data, arXiv:1507.07001v1 [astro-ph.HE], 24/07/2015
[18] D. S. Akerib et al., First Results from the LUX Dark Matter Experiment at the Sanford Underground Research Facility, Phys. Rev. Lett., 112, Marzo 2014
[19] Esperimento XENON, sezione di Bologna, http://www.bo.infn.it/xenon/ [20] Descrizione Generale LNGS, https://www.lngs.infn.it/it/descrizione-generale [21] E. Aprile, Direct Dark Matter Searches: Lecture 2, NIJMEGEN09 Summer School,
25/09/2009
[22] Esperimento XENON, LNGS, https://www.lngs.infn.it/it/pagine/xenon-ita
[23] L. Leardini, Studio delle interazioni dei neutroni in Xenon liquido, Tesi di Laurea, Bologna, 2010/2011
[24] M. Pinelli, Preparazione di un setup sperimentale e misure preliminari per la carat- terizzazione in aria di SiPM da utilizzare per esperimenti di ricerca della Materia Oscura, Tesi di Laurea, Bologna, 2014/2015
[25] E. Aprile et al., Design and Performance of the XENON10 Dark Matter Experiment, arXiv:1001.2834v1 [astro-ph.IM], 16/01/2010
[26] E. Aprile et al., Dark Matter Results from 225 Live Days of XENON100 Data, Phys. Rev. Lett. 109, 181301, 02/11/2012
[27] H. Simgen, XENONnT and Beyond, WIN2015, Giugno 2015
[28] P. Buzhan et al., An advanced study of silicon photomultiplier, ICFA Instrumentation Bulletin, 23, Fall 2001
[29] A. Nepomuk Otte, The Geiger APD, a novel photon detector and its application in astrophysics experiments and positron emission tomography, MPI fur Phyisk, Munich
[30] G. L’Episcopo, Caratterizzazione elettrica di una matrice di rivelatori di singolo fotone, Tesi di Laurea, Catania, 2005/2006
[31] R. Pagano, Operative parameters of Si photomultipliers, Tesi di Dottorato in Ingegneria Fisica, Catania
[32] A. Nepomuk Otte et al., A test of silicon photomultiplier as a readout for pet, Nucl. Instrum. Meth. A, 545, 705-715, 2005
[33] A. Lacaita et al., On the bremsstrahlung origin of hot-carrier-induced photons in silicon devices, IEE Trans. Nucl. Sci., 54, 236-244, 2007
[34] E. Aprile et al., Detection of Liquid Xenon Scintillation Light with a Silicon Photomultiplier, arXiv:physics/0501002v2 [physics.ins-det], 26/01/2005
[35] J. Millman, A Grabel e P. Terreni, Elettronica di Millman, 4a edizione, McGraw-Hill,
Milano, 2008
[36] Mod. V1724 8 Channel 14bit - 100MS/s Digitizer CAEN, User’s Manual, Revision 7, 6 Novembre 2007