Secondary scintillation of He-CF4 mixtures with H-rich additives: contribution to the CYGNO Experiment
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| Publication Date: | 2023 |
| Language: | eng |
| Source: | Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) |
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Summary: | Tese de Doutoramento em Engenharia Física apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia |
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Secondary scintillation of He-CF4 mixtures with H-rich additives: contribution to the CYGNO ExperimentCintilação secundária de misturas de He-CF4 com aditivos ricos em hidrogénio: contribuições para a Experiência CYGNOMatéria negraCâmara de projeção temporaCintilação secundáriaLeitura óticaDark matterTime projection chamberSecondary scintillationOptical readout--Ciências da engenharia e tecnologias::Outras ciências da engenharia e tecnologiasTese de Doutoramento em Engenharia Física apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaCYGNO (a CYGNus TPC with Optical readout) is part of the CYGNUS proto-collaboration for directional Dark Matter search at low WIMP masses (1 – 10 GeV/c²) and coherent neutrino scattering measurement. This work describes several R&D contributions to the final design of the CYGNO-TPC. These include detector characterisation, gas mixture optimisation, evaluation of alternative detector components, and data analysis.To perform the experimental studies we built A PISA-based Prototype for Luminescence Evaluation — APPLE — to quantify the scintillation yield of different detector configurations and gas mixtures. As the other CYGNO prototypes, APPLE relies on a GEM to produce scintillation photons that are detected by a photosensor.We started by validating APPLE in He-CF4 mixtures, confirming many of the results obtained with the other CYGNO prototypes. We confirmed that He/CF4 (60/40), herein He-40%CF4, is a suitable mixture for the CYGNO-TPC as it produces around 0.068 visible photons (above 300 nm) per avalanche electron, with an energy resolution around 20%. We also confirmed that the scintillation yield produced in the GEM can be further increased with a strong induction field, although the onset of discharges limited this study. We also studied how the ambient temperature and pressure affect the charge and optical response of APPLE, but were unable to reach any reliable conclusions due to limitations in the data.To improve the sensitivity of CYGNO to low WIMP masses and improve directionality measurements, we evaluated the scintillation yield of methane and isobutane admixtures to He-40%CF4, as they are molecules with high hydrogen content. Although both methane and isobutane quench the UV and visible components of the He-40%CF4 scintillation, we found that methane is a better additive than isobutane. Adding up to 7% of methane improves the electrical stability of the detector, increases the maximum attainable scintillation yield without degrading the corresponding energy resolution, and ensures a higher detection efficiency to WIMP-H interactions. The highest scintillation yield was achieved for 3% methane, 1.6-fold above that obtained for He-40%CF4.The scientific CMOS camera used in the CYGNO-TPC is unable to detect the UV component of the He-40%CF4 scintillation, losing about 40% of the optical signal. To overcome this issue we studied a bis-MSB (C24H22) wavelength shifter (WLS) that converts the UV photons into visible photons, with wavelengths compatible with the camera sensitivity. Our results show that, however the bis-MSB increases the optical sensitivity of our detector by converting part of the UV photons emitted by He-40%CF4, this effect is cancelled out by a significant attenuation of the visible component of the gas scintillation. Thus, we found that the current design of the bis-MSB wafers does not increase the number of photons that can be collected by a photosensor sensitive to photons with wavelengths above 300 nm. Regardless, a bis-MSB WLS can still be advantageous for the CYGNO-TPC if redesigned to reduce the loss of photons.We also showed that the optical readout of the CYGNO-TPC can be further increased using a 125-μm thick Cobra. Its increased thickness and the additional multiplication region increase the scintillation yield relative to a standard GEM. With the Cobra, the scintillation yield of He-40%CF4 is increased by an order of magnitude, providing an energy resolution of 23%. We also evaluated the 125-μm thick Cobra foil in methane admixtures to He-40%CF4, achieving a 6-fold increase in the scintillation yield relative to a standard GEM.The overground response of LIME, the most recent CYGNO prototype, to 55Fe x-rays in He-40%CF4 was also characterised in this work. We report a minimum energy resolution close to 20%, an absorption length of 20.7(20) cm, and a longitudinal and transverse gas diffusion of 128(32) μm/√cm and 110(50) μm/√cm, respectively. These results are consistent with the expectations, confirming that the detector was ready to be installed underground for the next phase of the experiment, which is now undergoing.We also implemented machine learning techniques to study the feasibility of 3D reconstruction in the CYGNO-TPC using only the information given by the sCMOS camera images. After implementing feature engineering, we performed linear, boosted-decision tree, and random forest regression, achieving RMSE scores of 7.2(16) cm, 7.2(14) cm and 7.0(13) cm respectively. Besides being the most accurate, the random forest model also showed the lowest bias and variance. The accuracy scores achieved with these models are close to the intrinsic limit of the target data, computed as 4.86 cm. Thus, the work herein performed is a good starting point to develop an accurate 3D reconstruction model for the CYGNO-TPC.CYGNO pertence à proto-colaboração CYGNUS para a deteção direcional de WIMPs de massa reduzida e medição da dispersão coerente de neutrinos. Este trabalho descreve as várias contribuições de I&D para o desenho final da câmara de projeção temporal CYGNO. Estas incluem a caracterização do detetor, optimização da mistura gasosa, avaliação de componentes alternativos para o detetor e análise de dados. Para desempenhar os estudos experimentais necessários construímos um protótipo para a avaliação de luminescência baseado no conceito PISA, denominado APPLE, que permite quantificar a cintilação produzida por diferentes configurações do detetor e misturas gasosas. Tal como os outros protótipos do CYGNO, o APPLE depende de um GEM para a produção de fotões que são depois detetados por um fotosensor. Começámos por validar o APPLE em misturas baseadas em He-CF4, confirmando muitos dos resultados obtidos pelos outros protótipos do CYGNO. Confirmámos que He-40%CF4 é uma mistura gasosa adequada para a câmara de projeção temporal do CYGNO, uma vez que produz cerca de 0.068 fotões visíveis por eletrão secundário, com uma resolução em energia próxima de 20%. Confirmámos que a quantidade de cintilação produzida no GEM pode ser aumentada elevando o campo de indução do detetor, apesar de a existência de descargas elétricas ter limitado este estudo. Também estudámos os efeitos da temperatura e da pressão ambiente na resposta em carga e luz do APPLE, mas fomos incapazes de chegar a conclusões sólidas devido às limitações dos dados experimentais. De modo a aumentar a sensibilidade do CYGNO a WIMPs de massa reduzida e melhorar a direcionalidade do detetor avaliámos a influência de pequenas adições de metano e isobutano na cintilação da mistura base de He-40%CF4, uma vez que são moléculas com alta concentração de hidrogénio. Apesar de tanto o metano como o isobutano absorverem as componentes visível e UV da cintilação produzida por He-40%CF4, concluímos que o metano é um aditivo melhor que o isobutano. Adicionar até 7% de metano melhora a estabilidade elétrica do detetor, aumenta aquantidade de cintilação máxima sem degradar a resolução em energia, e garante uma maior eficiência de deteção a interações do tipo WIMP-H. A cintilação máxima foi obtida para uma concentração de 3% metano, obtendo-se 1.6 vezes mais de fotões do que em He-40%CF4. A câmara CMOS usada na câmara de projeção temporal CYGNO é incapaz de detetar a componente UV da cintilação produzida por He-40%CF4, perdendo cerca de 40% do sinal ótico. Para ultrapassar esta limitação estudámos o conversor de comprimento de onda bis-MSB que converte fotões UV em fotões visíveis, com comprimentos de onda compatíveis com a sensibilidade da câmara. Os nossos resultados mostram que, mesmo com este aumento da sensibilidade ótica, há uma atenuação significativa da componente visível da cintilação. Com o desenho atual das amostras de bis-MSB não é possível aumentar o número de fotões detetados por fotosensores com sensibilidades acima de 300 nm. No entanto, um conversor de comprimento de onda baseado em bis-MSB pode ser vantajoso para o CYGNO se redesenhado para reduzir a perda de fotões.Também demonstrámos que a leitura ótica da câmara de projeção temporal CYGNO pode ser aumentada usando uma Cobra com 125 μm de espessura. A sua maior espessura e a existência de uma região de multiplicação adicional aumentam a cintilação relativamente a um GEM comum. Com a Cobra, a quantidade de cintilação produzida por He-40%CF4 aumenta em uma ordem de grandeza, obtendo-se resoluções em energia de cerca de 23%. Também avaliámos a Cobra de 125 μm em misturas de He-40%CF4 com metano, obtendo 6 vezes mais fotões relativamente a um GEM comum.A resposta do LIME, o mais recente protótipo do CYGNO, à interação de raios-X de 55Fe em He-40%CF4 também foi caracterizada neste trabalho. Reportamos uma resolução em energia mínima próxima de 20%, uma distância de absorção de 20.7(20) cm, e uma difusão longitudinal e transversal de 128(32) μm/√cm e 110(50) μm/√cm.Também implementámos técnicas de aprendizagem computacional para estudar a reconstrução tridimensional na câmara de projeção temporal CYGNO usando apenas a informação presente nas imagens fornecidas pela câmara CMOS. Após a implementação de engenharia de parâmetros, desempenhámos regressões lineares, de árvores de decisão impulsionadas por gradiente e de florestas de decisão aleatória, obtendo-se um erro quadrático médio de 7.2(16) cm, 7.2(14) cm e 7.0(13) cm, respectivamente. Além de ser o mais exato, o modelo de floresta de decisão aleatória também apresenta o menor nível de enviesamento e variabilidade. A exatidão obtida para estes modelos é próxima do limite intrínseco dos dados, calculado como 4.86 cm. Como tal, o trabalho realizado é um bom ponto de partida para o desenvolvimento de um modelo final para a reconstrução tridimensional na câmara de projeção temporal CYGNO.2023-11-24doctoral thesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionhttps://hdl.handle.net/10316/114648https://hdl.handle.net/10316/114648TID:101740468engRoque, Rita Joana da Cruzinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2024-04-03T22:00:36Zoai:estudogeral.uc.pt:10316/114648Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-29T06:07:49.910091Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse |
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