Application and development of scintillation based detectors for the investigation of neutrino physics in double beta decay experiments

The research activity during my PhD has been devoted to the application and development of cryogenic scintillation detectors for the search of neutrinoless double beta decay (0νββ). I investigated two implementations of this design: high performance detectors based on the light output readout and the double-readout scintillating bolometers. The scintillation based 0νββ detector that I investigated is based on scintillating crystals, containing a 0νββ candidate, optically coupled to Silicon Drift Detectors (SDDs) operated as light detectors at 120K. My work was dedicated to the characterization of the SDD detectors, performing both X-ray and scintillation measurements. The X-ray measurements served as a testing ground for the devices designed and produced for this application by Fondazione Bruno Kessler (FBK), which are the biggest single anode SDDs ever built. The obtained results showed that these devices have excellent noise performances, proving that the electronic noise is not a limiting factor in this application. The scintillation measurements performed with a CdWO4 crystal coupled with a SDD, instead, allowed to evaluate the attainable energy resolution. With different measurement, I showed that the energy resolution is limited by the variable charge collection efficiency of the SDD surface. To solve this problem, a new series of SDDs with uniform efficiency is going to be designed and produced at FBK. Alongside this technical development, I worked as a member of the CUPID-0 collaboration in the data analysis. CUPID-0 is a scintillating bolometer composed by 26 ZnSe crystals, 24 of which are enriched in 82Se, a 0νββ candidate. Combining the good energy resolution given by the heat channel readout and the particle identification given by the light signal, CUPID-0 was able to reach the lowest background ever reached by a bolometric experiment in the region of interest for the 0νββ. Consequently, the best limit on the 0νββ of 82Se could be extracted, showing the efficiency of this technological approach. I obtained an ulterior enhancement of the attainable energy resolution in the heat channel, by the means of the light/heat correlation correction. With this new analysis step, a new limit was obtained on the 0νββ half-life of 82Se, calculated with the total statistic of the first phase of the experiment. I also worked in the definition of the background model for the CUPID-0 experiment, developing an analysis routine to characterize the surface contamination of crystals. Exploiting the result of the background model I could put a limit on the Lorentz violation in the neutrino sector, analyzing the shape of the 2νββ spectrum. My research work allowed me to acquire a solid know-how on scintillators operated at cryogenic temperatures, expendable in between the two technological routes I have followed and extendable to other scintillation-based applications.

L’attività di ricerca da me svolta durante il dottorato di ricerca è stata legata all’applicazione e sviluppo di rivelatori a scintillazione criogenici, pensati per la ricerca del decadimento doppio beta senza emissione di neutrini (0νββ). Ho analizzato due possibili implementazioni di questa tecnica: rivelatori ad alte prestazioni basati sulla lettura della luce di scintillazione e rivelatori bolometrici a scintillazione con doppia lettura. Il rivelatore per 0νββ basato sulla scintillazione che ho studiato è costituito da cristalli scintillanti, contenenti l’isotopo candidato al 0νββ, accoppiati otticamente a rivelatori a deriva in silicio (Silicon Drift Detectors, SDD), utilizzati come lettori di luce e operati a 120K. Il mio lavoro è stato dedicato alla caratterizzazione degli SDD, per mezzo di misure dirette con raggi X e misure di scintillazione. Le misure con raggi X sono state utilizzate per caratterizzare gli SDD progettati appositamente per questa applicazione dalla Fondazione Bruno Kessler (FBK), che sono i dispositivi di questo tipo con singolo anodo più grandi mai prodotti. I risultati ottenuti mostrano il livello estremamente basso di rumore elettronico raggiunto da questi rivelatori, dimostrando che questa caratteristica non ne limita le prestazioni. Le misure di scintillazione, invece, sono state realizzate accoppiando un cristallo di CdWO4 al SDD, permettendo di valutare la risoluzione energetica del rivelatore complessivo. Con diverse misure, ho dimostrato che la risoluzione energetica è limitata dalla efficienza di raccolta di carica del SDD, non uniforme sulla superficie del rivelatore. Per risolvere questo problema, una nuova serie di SDD che correggono questa caratteristica è stata progettata e prodotta da FBK. Al fianco di questo sviluppo tecnico, ho lavorato come membro della collaborazione CUPID-0 all’analisi dei dati raccolti dall’esperimento. CUPID-0 è un rivelatore bolometrico a scintillazione composto da 26 cristalli di ZnSe, 24 dei quali arricchiti in 82Se, un candidato al 0νββ. Combinando la buona risoluzione energetica del canale di calore con l’identificazione delle particelle resa possibile dal segnale di luce, CUPID-0 è stato in grado di raggiungere il fondo più basso mai raggiunto da un esperimento bolometrico per la ricerca del 0νββ. Grazie a questo risultato, è stato possibile estrarre il miglior limite sulla vita media del 0νββ del 82Se, dimostrando le alte prestazioni di questo approccio sperimentale. Con il mio lavoro ho ottenuto un ulteriore miglioramento della risoluzione energetica, correggendo la correlazione tra luce e calore. Anche grazie a questo nuovo passaggio di analisi, un nuovo limite sulla vita media del 0νββ del 82Se è stato ottenuto, utilizzando tutti i dati raccolti nella prima fase dell’esperimento. Ho anche contribuito alla definizione del modello del fondo dell’esperimento, sviluppando un sistema di analisi per caratterizzare le contaminazioni superficiali dei cristalli. Sfruttando i risultati del modello di fondo, ho poi potuto mettere un limite alla violazione della simmetria di Lorentz nelle interazioni dei neutrini, ottenuto analizzando la forma dello spettro del decadimento doppio beta a due neutrini del 82Se. Il lavoro da me svolto mi ha consentito di acquisire esperienza nell’operazione e analisi dati di scintillatori operati a temperature criogeniche, spendibili sulle diverse tecniche sperimentali che ho approfondito e estendibili ad altre applicazioni basate su questo tipo di rivelatori.