Study and design of the front-end and readout electronics for the tracking plane in the NEXT experiment

Abstract

The NEXT experiment is one of the most innovative ones looking for the neutrinoless double beta decay, which finding will answer one of the most important questions in the last years physics: is the neutrino its own antiparticle? Or in other words, is it a Majorana particle? With that purpose NEXT uses a TPC (Time Projection Chamber) filled with enriched xenon gas at high pressure, and two photosensors planes, one on each end. The first plane contains PMTs (PhotoMultiplier Tube), that collect the light emitted by the xenon when an event happens and precisely measures its energy. The second plane is a SiPM (Silicon PhotoMultiplier) matrix that allows to 3D-reconstruct the event track. Both planes together allows NEXT to have a great background rejection, which makes a difference with the other experiments aiming for the neutrinoless double beta decay. In addition, SiPMs are a new technology which nowadays is evolving to, in the future, displace the classical PMTs. For that reason the study of these sensors starts from zero, as there were not previous uses as pixel-tracking, and lead a new path in the physics detectors, for both high and low energy. This thesis is focused on the study and design of the electronics involving the tracking plane, which includes some technical solutions related also with mechanical issues. From the sensors placed inside the detector, the SiPMs, to the front-end electronic boards, there are few elements on the chain; as the support boards for the SiPMs which must satisfy severe outgassing and radiopurity levels. Also the inner and outer cabling has been designed, focusing on obtaining the best signal-noise ratio; and also the feedthrough for the tracking plane, which solved at low cost the huge problem of taking out about 4000 lines from the pressurized xenon to the outside. Finally, one of the most important elements on this chain and the one that this thesis is focused on, is the front-end board. Starting with the experience acquired with the first prototype, NEXT-DEMO, the electronics have been improved, able to condition, integrate and digitize the signals from all the tracking plane SiPMs; allowing the further acquisition and processing through an ATCA-based system (Advanced Telecommunications Computing Architecture). All the elements designed have been produced and assembled on the NEW detector, a large-scale prototype of the final detector, placed at the Laboratorio Subterra'neo de Canfranc, an underground laboratory at the aragonese Pyrenee.

El experimento NEXT es uno de los más innovadores en la búsqueda de la desintegración doble beta sin neutrinos, cuyo hallazgo daría con la respuesta a una de las cuestiones más importantes de la física en los últimos años: ¿es el neutrino su propia antipartícula? O dicho de otro modo, ¿es una partícula de Majorana? Para ello NEXT hace uso de una TPC (Time Projection Chamber) llena de gas xenón enriquecido a alta presión, y con dos planos de fotosensores, uno en cada extremo. El primero de ellos está formado por PMTs (Photo Multiplier Tube), que recogen la luz generada por el xenón cuando ocurre un evento, y miden la energía de éste. El segundo consiste en una matriz de SiPMs (Silicon PhotoMultipliers) que permiten reconstruir tridimensionalmente la traza de dicho evento. El conjunto de ambos planos de fotosensores otorga al experimento NEXT un gran rechazo a eventos de fondo, lo que marca la diferencia con otros experimentos en busca de la desintegración doble beta sin neutrinos. Además, los SiPMs son una tecnoloía de reciente aparición que en la actualidad está evolucionando a grandes pasos para, en un futuro, desplazar a los fotomultiplicadores clásicos. Por ello el estudio de estos fotosensores parte prácticamente desde cero, ya que no existen aplicaciones previas de su uso como pixel-tracking, y ha permitido abrir un nuevo camino en los detectores de física, tanto de alta como baja energía. Esta tesis doctoral tiene como objetivo el estudio y diseño de la electrónica involucrada en el plano de reconstrucción de trazas, y que involucran en menor medida dar solución a problemas técnicos de aspecto mecánico. Partiendo de los sensores ubicados dentro del detector, los SiPMs, hasta las tarjetas de front-end, se incluyen varios elementos de la cadena; como son las tarjetas empleadas como soporte para los SiPM en el interior de la cámara, las cuáles deben cumplir rigurosas medidas de radiopureza y degasificación. También se ha diseñado el cableado tanto interno como externo, haciendo énfasis en conseguir la mayor relación posible señal-ruido; y el pasamuros específico para el plano de reconstrucción de trazas, el cual ha resuelto a bajo coste el problema de extraer casi 4000 líneas desde la zona de xenón a alta presión hasta el exterior. Por último, uno de los elementos más importantes de esta cadena y en el cuál se centra principalmente esta tesis, es la tarjeta de front-end. Partiendo de la experiencia adquirida del primer prototipo del experimento, NEXT-DEMO, se ha perfeccionado una electrónica capaz de tratar, integrar y adquirir las señales de todos los SiPM del plano de reconstrucción de trazas, permitiendo su posterior adquisición y procesado mediante un sistema basado en la estructura ATCA (Advanced Telecommunications Computing Architecture). Todos los elementos diseñados han sido ensamblados y puestos en marcha en el detector NEW, un prototipo a gran escala del detector final, que está ubicado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc, en el Pirineo Aragonés.

L'experiment NEXT és un dels més innovadors en la recerca de la desintegració doble beta sense neutrins, i aquesta troballa donaria amb la resposta a una de les quèstions més importants de la física en els últims anys: és el neutrí la seua pròpia antipartícula? O dit d'una altra manera, és una partícula de Majorana? Per açò NEXT fa ús d'una TPC (Time Projection Chamber) plena de gas xenó enriquit a alta presió, i amb dos plànols de fotosensors, un a cada extrem. El primer d'ells està format per PMTs (Photo Multiplier Tube), que arrepleguen la llum generada pel xenó quan ocorre un esdeveniment, i mesuren l'energía d'aquest. El segon consisteix en una matriu de SiPMs (Silicon PhotoMultipliers) que permeten reconstruir tridimensionalment la traça d'aquest esdeveniment. El conjunt de tots dos plànols de fotosensors atorga a l'experiment NEXT un gran rebuig a esdeveniments de fons, la qual cosa marca la diferència amb altres experiments a la recerca de la desintegració doble beta sense neutrins. A més, els SiPMs so'n una tecnología de recent aparició que en l'actualitat està evolucionant a grans passos per a, en un futur, desplaçar als fotomultiplicadors clàssics. Per això l'estudi d'aquests fotosensors part pràcticament des de zero, ja que no hi ha aplicacions prèvies del seu ús com a pixel-tracking, i ha permés obrir un nou camí en els detectors de física, tant d'alta com de baixa energia. Aquesta tesi doctoral té com a objectiu l'estudi i diseny de l'electrònica involucrada en el plànol de reconstrucció de traces, i que involucra en menor mesura donar solució a problemes tècnics d'aspecte mecànic. Partint dels sensors situats dins del detector, els SiPMs, fins a les targetes de front-end, s'inclouen diversos elements de la cadena; com són les targetes emprades com a suport per als SiPMs a l'interior de la càmera, les quals han de complir rigoroses mesures de radioactivitat i degasificació. També s'ha disenyat el cablejat tant intern com extern, fent èmfasi en aconseguir la major relació possible senyal-soroll; i el passamurs específic per al plànol de reconstrucció de traces, el qual ha resolt a baix cost el problema d'extraure quasi 4000 línies des de la zona de xenó a alta presió fins a l'exterior. Finalment, un dels elements més importants d'aquesta cadena i en el qual es centra principalment aquesta tesi, és la targeta de front-end. Partint de l'experiència adquirida del primer prototip de l'experiment, NEXT-DEMO, s'ha perfeccionat una electrònica capaç de tractar, integrar i adquirir les senyals de tots els SiPM del plànol de reconstrucció de traces, permetent la seua posterior adquisició i processament mitjançant un sistema basat en l'estructura ATCA (Advanced Telecommunications Computing Architecture). Tots els elements disenyats han sigut muntats i engegats en el detector NEW, un prototip a gran escala del detector final, que està situat en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc, al Pirineu Aragonés.