Veto per Muoni Atmosferici per l'esperimento XENON1T

The goal of my thesis is to study the performance of the muon veto of the XENON1T for its optimization. The XENON1T detector aims to directly detect dark matter particles by their scattering off xenon nuclei. XENON1T is located in the underground laboratory of LNGS to take advantage of the natural rock shield. Another shield is supplied by the water tank, whose task is to absorb the neutrons and the gammas coming from the natural radiation of the rock wall and to track the passage of cosmogenic muons. For this reason the water tank behaves both as Water Cherenkov Detector and passive detector. Inside the water tank, 84 photomultipliers are located on the walls, on the roof, and on the floor. Their purpose is to collect the photons produced by the Cherenkov effect when a muon passes through the water tank. The data from the PMTs are collected when the trigger is activated. The trigger requires a certain number of PMTs to be under the threshold in a certain time window. This makes the water tank an active muon veto. Many runs have been taken in order to see the correct function of the trigger and of the muon veto. The datasets used come from data taken during various tests regarding the electronics, the trigger, and the calibration of the photomultipliers. In particular, I studied a 15-hour-long dataset, taken when the water Cherenkov detector was filled with water, in order to observe the behavior of the PMTs. These datasets are the first acquired from the water tank. It is normal that there would be difficulty in interpreting them. My work consisted of extracting different variables from the datasets for analysis. A study was made on the multiplicity of the PMTs, on the temporal distribution of the signals, and on the accumulated charge on the PMTs in order to distinguish random events from muon events. By observing the different times between the signals, the various delays in the trigger system were calculated, allowing for a more-detailed understanding of the expected values. The multiplicity was used in order to verify that the experimental rate of random coincidence among all the PMTs is comparable to the expected rate. I analysed other short datasets. They permitted to study the better con- ditions for the trigger, problems of the electronics and delays of the segnals. One research was related to the propagation of the photons in water and their reflection on the reflective foil. I created one program in Root to simulate the beam of the photons through the water and its reflection on the wall. The radius intensity esponentially decreased when it went through water, and when it hit the wall the ∼ 99.95% it was reflected. My purpose was to compare the results of the simulation with the true data of the muon events obtained when the water tank was filled with water. The analysis of the multiplicity and the experimental rate of the muons are compared with the Monte Carlo simulation. The study of the delay due to the electronics has allowed for a clearer reading of the measured signal. This analysis has resolved several problems in the interpretation of the data.

L'indagine svolta durante la tesi magistrale riguarda lo studio del comportamento e delle caratteristiche del Muon Veto Cherenkov Detector al fine di poterlo ottimizzare. L'esperimento XENON1T, situato presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), si propone di rivelare direttamente le particelle costituenti la materia oscura attraverso urti elastici con i nuclei di Xenon. L'esperimento beneficia dello schermo naturale, costituito dalle rocce soprastanti, in grado di bloccare la maggior parte delle particelle prodotte dai raggi cosmici. Per diminuire ulteriormente il background si e' costruito un Muon Veto Cherenkov Detector: il suo compito e' di bloccare la radiazione entrante, prodotta dalla roccia e da altri sorgenti, e di segnalare il passaggio di particelle cariche al suo interno. Per questo motivo si comporta sia come rivelatore passivo sia come rivelatore attivo. Il volume del Muon Veto viene osservato attraverso 84 fotomoltiplicatori (PMTs) localizzati sulle pareti, sul tetto e sul pavimento, e hanno il compito di raccogliere i fotoni prodotti per effetto Cherenkov. I segnali vengono memorizzati quando si attiva un trigger. Esso richiede che, in data finestra temporale, un certo numero di PMTs sia sotto soglia. Ho analizzato differenti tipi di dataset per studiarne il trigger, l'elettronica e la capacita' di discriminare i vari tipi di eventi. In particolare ho analizzato un dataset della durata di 15 ore che simula il comportamento dell'apparato quando l'esperimento sarà attivo. Da questo run si sono utilizzati diversi metodi per poter discriminare i muoni dagli eventi casuali attraverso i diversi parametri. I risultati ottenuti sono stati confrontati con dei Monte Carlo confermandone la correttezza dei dati acquisiti. Per studiare la logica di trigger si sono utilizzati diversi dataset di durata piu' breve, e con differenti condizioni: ogni dataset varia sia per la richiesta minima di PMT accesi in una finestra temporale, sia per la richiesta del tempo sopra soglia di ciascuno PMT. Questo lavoro ha permesso di capire nel dettaglio il funzionamento del trigger, i suoi ritardi dovuti al hardware ed eventuali errori di software. Un altro obbiettivo della tesi riguarda lo studio dei segnali prodotti dai PMTs anche in assenza di luce Cherenkov. In particolare si e' osservato che l'andamento della molteplicità non segue l'andamento teorizzato: si ha un eccesso di eventi con molteplicità più alta rispetto a una distribuzione poissoniana. Infine si è costruito un piccolo programma in grado di simulare il comportamento dei fotoni all'interno della water tank considerando diversi fattori: l'assorbimento dell'acqua, l'efficienza del foglio riflettente e la conversione dei fotoni in fotoelettroni.