Sviluppo di una camera a SiPM per il Large Size Telescope di CTA

I raggi gamma di alta energia provenienti dal cosmo sono in grado di fornire indizi per la comprensione dell'origine dei raggi cosmici, dei meccanismi di accelerazione delle particelle attorno ai buchi neri e permettono di studiare la natura della materia oscura. I telescopi Cherenkov a Imaging Atmosferico sono oggigiorno gli strumenti più utilizzati per la rivelazione di sciami atmosferici estesi originati da raggi gamma. Il Cherenkov Telescope Array (CTA) è l'esperimento di ultima generazione per l'astronomia gamma di alta energia. Il Large Size Telescope (LST) ha uno specchio di 23 m e ha come obiettivo raggi gamma di energia compresa tra 20 GeV e 1 TeV. La sua camera utilizza 1855 fotomoltiplicatori a tubo come rivelatori di fotoni. Sebbene la tecnologia dei fotomoltiplicatori sia matura e affidabile, di recente i fotomoltiplicatori al silicio (SiPM) stanno emergendo come validi sostituti. Infatti presentano svariati vantaggi, come una tensione operativa inferiore e tolleranza ad alti livelli di illuminazione (ad esempio luna piena); d'altro canto hanno anche numerosi svantaggi, come il cross talk. L'obiettivo del progetto è quello di studiare la possibilità di istallare una camera basata su SiPM per LST, al posto di quella basata su fotomoltiplicatori. I punti chiave della mia tesi sono la caratterizzazioni di SiPM, in modo da comprendere al meglio il loro funzionamento, e lo sviluppo di una scheda elettronica di interfaccia tra l'elettronica già presente in LST e la scheda dove alloggeranno i SiPM.

Very high energy (VHE) cosmic gamma rays provide clues to understanding the origin of cosmic rays, the mechanisms of particle acceleration in extreme environments and the nature of cold dark matter. The imaging atmospheric Cherenkov telescopes (IACTs) are nowadays the standard detectors for VHE gamma rays astronomy. Multiple telescopes take Cherenkov-light stereoscopic images of extensive air showers (EAS) induced by gamma rays entering the atmosphere. The Cherenkov Telescope Array (CTA) is the next generation VHE gamma-ray observatory, with one site in each hemisphere with up to 100 telescopes of 3 types. The Large-Sized Telescopes (LST) have a 23 m mirror dish and target the low energy range (20 GeV - 1 TeV). Their baseline camera has 1855 photomultiplier tubes (PMTs) as photon detectors. While the PMT technology is mature and reliable, recently Silicon Photomultipliers (SiPMs) are emerging as promising competitors. Indeed they have many advantages, such as lower operating voltage and tolerance to high illumination levels (e.g. moonlight) and cost-effectiveness; on the other hand they have some disadvantages, like optical cross-talk. This work is inserted in a project studying the possibility of installing a SiPM based camera in the LST, instead of the PMT based one. The key targets of my thesis are the characterization studies of SiPMs, in order to better understand the operation and properties of these sensors, and the development of an Interface Board between the electronics already present in the LST camera and the board where the SiPMs will be housed.