The HOLMES experiment and the first 163Ho ion-implanted Transition Edge Sensors for a calorimetric measurement of mν

The evidence of neutrino mass is less than 30 years old since it coincides with the discovery of their flavor oscillations. Concerning both particle physics and cosmology, the neutrino mass measurement will shed light on several important open issues. Chapter 1 of my thesis will be an introduction to neutrinos and will focus on the many observables related to neutrino mass. In particular, neutrino mass information can be extrapolated from a $\beta$-decay spectrum analysis. Not relying on any theoretical hypothesis but energy-momentum conservation, this is known as direct measurement. Due to the stringent requirements to be met, few isotopes have been proposed over the years: $^3$H (or T), $^{187}$Re that decay via $\beta^-$ and $^{163}$Ho that decays via electron capture (EC). All of them have low Q-values that increase the fraction of useful events in the region close to the spectrum end-point. In this field, the state-of-the-art is represented by the KATRIN spectrometer. By measuring a molecular T source it will improve its sensitivity at most to O(0.2 eV). In Chapter 2 I will discuss the various experiments that proposed (or still propose) a direct measurement of the neutrino mass. An alternative for future research in direct neutrino mass measurement is the calorimetric approach. By embedding the source inside the detector the decay products are fully contained and several systematic effects are avoided. The HOLMES experiment is proving the feasibility of this approach by ion-implanting a source of $^{163}$Ho in Transition Edge Sensors (TESs). These microcalorimeters ensure high energy and time resolutions. They also allow a distribution of the total activity over a large number of pixels that we read out using the $\mu$-wave multiplexing technique. A detailed description of TES properties and readout technique will be given in Chapter 3. During the first years of my PhD, I worked at my thesis by contributing to HOLMES R$\&$D phase. In this period, the ion-implantater at Genova was under development. I had the chance to spend time at the implanting facility and perform tests on the beam line. On the other hand, I characterized several TES arrays at Milano Bicocca. Since these were not yet implanted, external X-ray sources were used to test their performances. During these measurements TES readout electronics was tested too. Although TES are manufactured at NIST (Boulder, Colorado), their fabrication must be completed in our laboratories before they can be placed and measured inside the HOLMES refrigerator. I will describe the HOLMES development phase in detail within Chapter 4. In 2023, HOLMES had finally reach its measuring phase. Genova facility provided the first $^{163}$Ho ion-implantation on a TES array with 64 pixels. The EC spectrum reconstruction will be performed with a robust set of data filtering routines while its endpoint region will be analyzed with Bayesian-based algorithms. Because of their low-dose $^{163}$Ho concentration (less than 1 Bq/pixel), currently measured TESs will achieve a sensitivity on m$_{\nu}$ of about $\sim$ 30 eV. The first implanted-TES measurement were crucial to calibrate the complex $^{163}$Ho EC-spectrum features as well as characterize the effect of the source on TES heat capacity. In Chapter 5 I will give all the information concerning the implantation runs, the HOLMES data takings and our expectations on the first result. The final part of my thesis will be focused on the first $^{163}$Ho-implanted TES characterization. I will report measurements of the main physical properties of TES, also comparing them with those of older, not yet implanted arrays. Finally, in Chapter 6, I will also present some TES simulations. By estimating the improvements in their performances due to a critical temperature lowering, I will address a discussion on their future design.

La prima evidenza di massa del neutrino risale a meno di 30 anni fa e coincide con la scoperta delle loro oscillazioni. La misura della massa dei neutrini farà luce su molte questioni aperte sia nella cosmologia che nella fisica delle particelle. Il Capitolo 1 della mia tesi sarà un'introduzione ai neutrini e si concentrerà sulle numerose osservabili legate alla loro massa. In particolare, l'informazione sulla massa del neutrino può essere estrapolata dall'analisi dello spettro di decadimento β. Questa è nota come misura diretta, non dipendendo da alcuna ipotesi teorica se non la sola conservazione di energia e momento. A causa dei parametri necessari, nel corso degli anni sono stati proposti pochi isotopi: 3H (o T), 187Re che decadono tramite β− e 163Ho che decade tramite cattura elettronica (EC). Tutti hanno bassi valori di Q, che aumentano la frazione di eventi utili nella regione vicina al punto finale dello spettro. In questo campo, lo stato dell'arte è rappresentato dallo spettrometro KATRIN. Misurando una sorgente molecolare di T, aumenterà la sua sensibilità fino a O(0.2 eV). Nel Capitolo 2 discuterò dei vari esperimenti che hanno proposto (o propongono) una misura diretta di mν. Un'alternativa per le future ricerche sulla misura diretta di mν è data dall'approccio calorimetrico. Inserendo la sorgente all'interno del rivelatore, i prodotti di decadimento sono completamente contenuti e diversi effetti sistematici vengono prevenuti. L'esperimento HOLMES sta dimostrando la fattibilità di questo approccio impiantando una sorgente di 163Ho in sensori a transizione di fase(TES). Questi microcalorimetri assicurano un'alta risoluzione energetica e temporale. Permettono anche una distribuzione dell'attività totale su un gran numero di pixel, letti utilizzando la tecnica di multiplexing a microonde. Una descrizione dettagliata delle proprietà dei TES e della loro lettura sarà fornita nel Capitolo 3. Durante i primi anni del mio dottorato, ho contribuito alla fase di R&S di HOLMES. In questo periodo, l'impiantatore era in fase di sviluppo. Ho avuto l'opportunità di trascorrere del tempo presso la struttura di Genova e svolgere test sulla linea di fascio. D'altra parte, ho caratterizzato diversi array TES a Milano Bicocca. Poiché questi non erano ancora impiantati, sorgenti di raggi X esterne erano necessarie per testare le loro prestazioni. Durante queste misure ho anche testato l'elettronica di lettura dei TES. Sebbene i TES siano prodotti al NIST, la loro fabbricazione deve essere completata nei nostri laboratori prima che possano essere misurati all'interno del criostato di HOLMES. Descriverò la fase di sviluppo di HOLMES nel Capitolo 4. Nel 2023, HOLMES ha finalmente raggiunto la fase di misurazione. L'università di Genova ha eseguito la prima impiantazione di 163Ho su un array di TES con 64 pixel. La ricostruzione dello spettro EC sarà effettuata tramite routine di riduzione dei dati mentre la regione finale dello spettro verrà analizzata con algoritmi bayesiani. A causa della bassa concentrazione di 163Ho (meno di 1 Bq/pixel), i TES attualmente misurati raggiungeranno una sensibilità su mν di circa ∼ 30 eV. La prima misura dei TES impiantati è stata cruciale per calibrare le strutture caratteristiche dello spettro e per quantificare l'effetto dell'olmio sulla capacità termica dei TES. Nel Capitolo 5 fornirò tutte le informazioni riguardanti le impiantazioni, le raccolte dati di HOLMES e le nostre aspettative sui primi risultati. La parte finale della mia tesi sarà focalizzata sulla caratterizzazione dei primi TES impiantati con 163Ho. Riporterò le stime delle principali proprietà fisiche dei TES, confrontandole anche con quelle di array misurati in precedenza, senza esser stati impiantati. Infine, nel Capitolo 6, presenterò alcune simulazioni dei TES. Stimando i miglioramenti delle loro prestazioni dovuti a un abbassamento della temperatura critica, discuterò del loro design futuro.