Spatially Resolved Laser Scanning for Large Area Testing of Silicon Photomultipliers

Gingras, Chloé; Gingras, Chloé

Thesis

Spatially Resolved Laser Scanning for Large Area Testing of Silicon Photomultipliers

Public Deposited

Analytics

Download PDF

Creator

Gingras, Chloé

Contributors

Thomas Brunner (Supervisor)

Abstract

French

La découverte de masses non-nulles chez le neutrino nous force à confronter leur origine et leur nature. Les théories prédominantes aujourd'hui voudraient que le neutrino s'agisse d'une particule de Dirac, comme toutes les autres dans le modèle standard, ou alors de Majorana, une explication plus naturelle de la petitesse des masses en question. Cette seconde solution ferait du neutrino sa propre antiparticule et, par là même, ouvrirait la porte à des procédés en violation de la conservation du nombre leptonique. L'une des réactions candidates les plus prometteuses pour investiguer la possible nature Majorana du neutrino est la double désintégration bêta sans neutrinos. C'est l'objectif principal de la collaboration nEXO que de l'observer. La chambre à dérive de nEXO contiendrait 5 tonnes de xénon liquide enrichi à 90% de Xe-136, isotope capable d'effectuer des doubles désintégrations bêta. L'énergie et la position de chaque événement seraient calculées d'après des signaux d'ionization et de scintillation. Pour détecter la lumière ultraviolette de ces derniers, des photomultiplicateurs en silicium (SiPMs) ont été sélectionnés. Il s'agit de détecteurs à semi-conducteurs de ~ 1 cm2 sensibles aux photons individuels, qui ici seraient placés en périphérie de la chambre à dérive. nEXO prévoit tapisser une surface totale de 4.5 m2, ce qui exigerait des milliers de SiPMs. Pour les tester à température de déploiement dans des délais raisonnables pour nEXO, une approche bien huilée resposant sur des hauts débits doit être développée. Cette thèse présente les résultats de la mise en service d'un mécanisme automatisé de balayage laser en vue de tester des modules de SiPM à des températures cryogéniques à des fins de tests d'uniformité pour nEXO

English

The discovery of nonzero neutrino mass forces us to confront the mechanism by which it arises. Current leading theories would have the neutrino be a Dirac particle, like all other fermions in the Standard Model, or a Majorana particle; the latter would provide a natural explanation for the smallness of neutrino mass. It would also require neutrinos to be their own antiparticles, and require lepton number violating processes beyond the Standard Model. A promising approach to search for Majorana neutrinos is via neutrinoless double beta decay, whose observation is the goal of the proposed nEXO experiment. nEXO's next-generation time projection chamber will contain 5 tonnes of liquid Xenon enriched to 90% in Xe-136, an isotope known to undergo double beta decay. The energy and position of each event inside the detector will be reconstructed using ionization and scintillation signals. Silicon photomultipliers (SiPMs), ~ 1 cm2 solid-state detectors with single photon resolution, have been chosen to detect the expected vacuum ultraviolet Xe scintillation light. nEXO plans to cover an area of 4.5 m2 around the detector with SiPMs, requiring thousands of these devices. Testing the large number of SiPM modules at operating temperatures will require an automated approach and high throughput of SiPMs to be done in a reasonable timescale for nEXO. This thesis presents results from the commissioning of a precision scanning mechanism which has been developed to systematically scan a spatially resolved laser beam across the surface of a SiPM at cryogenic temperatures for the purposes of nEXO device uniformity testing

Subject