Calibrazione di PMT e aspetti ciogenici a XeLab

The nature of dark matter remains one of the most researched and discussed topics in modern physics. Over the past two decades, dual-phase Time Projection Chambers (TPCs) with liquid xenon have emerged as one of the most sensitive technologies for direct detection. Within this framework, the XENON collaboration has developed a series of increasingly sophisticated detectors trying to set more stringent limits on Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) cross sections. Several R&D experiments are underway to develop and validate these new technologies for the new generation projects, like the XeLab laboratory at Sorbonne University. This thesis presents a study carried out in this facility and focused on the calibration and characterization of photomultiplier tubes (PMTs) and its cryogenic systems. The work includes the study of PMT response at room and cryogenic temperatures, gain calibration procedures, a small data analysis, and an overview of the infrastructure and operations at XeLab. Additionally, there is a general introduction of the theoretical background of dark matter, the review of the operating principles of dual-phase TPCs, and highlights major results from leading experiments.

La natura della materia oscura (DM) rimane uno degli argomenti più studiati e discussi nella fisica moderna. Negli ultimi due decenni, le Time Projection Chambers (TPC) a doppia fase con xenon liquido sono emerse come una delle tecnologie più sensibili per il rilevamento diretto. In questo contesto, la collaborazione XENON ha sviluppato una serie di rivelatori sempre più sofisticati nel tentativo di stabilire limiti più stringenti sulle sezioni d’urto delle Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs). Sono in corso diversi progetti per sviluppare e convalidare queste nuove tecnologie da utilizzare negli esperimenti di nuova generazione, come il laboratorio XeLab dell’Università Sorbona di Parigi. Questa tesi presenta uno studio condotto nella struttura francese incentrato sulla calibrazione e caratterizzazione di (PMT) e dei relativi sistemi criogenici. Il lavoro include lo studio della risposta dei PMT a temperatura ambiente e criogenica, le procedure di calibrazione del guadagno, un’analisi preliminare dei dati e una panoramica dell’infrastruttura e delle operazioni presso XeLab. Inoltre, è presente anche un’introduzione generale al background teorico della DM, una revisione dei principi di funzionamento delle TPC a doppia fase e una sintesi dei principali risultati degli esperimenti più importanti.