Two techniques to enhance particle reconstruction in JUNO: Liquid Scintillator purification and Waveform analysis

Questa tesi descrive due tecniche che possono essere utilizzate per migliorare la ricostruzione delle caratteristiche delle particelle interagenti all’interno di esperimenti per la rivelazione di antineutrini, in cui le grandi masse bersaglio sono fondamentali per compensare la natura estremamente sfuggente di queste particelle. L'ostacolo principale per la corretta caratterizzazione dell'antineutrino è il fondo radioattivo. Nella prima sezione di questa tesi, viene descritto la progettazione, i principi costruttivi e le operazioni di un impianto di distillazione e strippaggio per la purificazione si Scintillatore Liquido. L'obiettivo principale di questi impianti è rimuovere le radio-impurità dallo scintillatore liquido aumentandone contemporaneamente la lunghezza di attenuazione ottica. Tale sistema combinato mirerà ad ottenere una lunghezza di attenuazione totale maggiore di 20 m @430 nm, e una radiopurezza, espressa in concentrazione massica, per 238U e 232Th nell'intervallo 10−15 ÷ 10−17 g/g. Per comprendere meglio la capacità di purificazione di queste tecniche sono stati costruiti e messi in funzione due impianti pilota presso i laboratori di Daya Bay. A seconda della resa luminosa del rivelatore, è probabile che diversi fotoni di scintillazione derivanti dalla stessa interazione di neutrini colpiscano un singolo tubo fotomoltiplicatore in poche decine/centinaia di nanosecondi, con il risultato che diversi fotoelettroni (pes) si accumulino all'anodo. In tale scenario, il segnale generato da ciascun pe è sovrapposto agli altri, e una ricostruzione accurata della carica diventa impegnativa, comportando quindi un degrado della risoluzione dello spettro energetico dell'antineutrino. Nella seconda parte di questo manoscritto, viene descritto un metodo sperimentale in grado ricostruire la carica generata da multipli foto-elettroni incidenti sul PMT nel caso di pile-up, fornendo uno stimatore della carica con una precisione a livello del permille. Il metodo si basa su una tecnica di filtraggio del segnale (filtro Wiener) che sopprime il rumore dovuto sia al PMT che all'elettronica di lettura del segnale, e su una deconvoluzione basata sull’analisi di Fourier in grado di minimizzare l'influenza delle distorsioni del segnale.

This thesis describes two techniques to enhance the particle reconstruction in large antineutrino experiments where large target masses are pivotal to compensate for neutrinos’ extremely elusive nature. The main obstacle for the correct characterization of the antineutrino crossing the experiment is the radioactive background. In the first section of this thesis, It is described the design, construction principles and operations of a distillation and a stripping plant for the purification of Liquid Scintillator. The main goal of these plants is to remove radio impurities from the liquid scintillator while increasing its optical attenuation length. Such a combined system will aim at obtaining a total attenuation length greater than 20 m @430 nm, and a bulk radiopurity for 238U and 232Th in the 10−15 ÷ 10−17 g/g range. In order to better understand the purification capability of these techniques two pilot plant were built and operated at the Daya Bay laboratories. Depending on the detector light yield, several scintillation photons stemming from the same neutrino interaction are likely to hit a single Photo Multiplier Tube in a few tens/hundreds of nanoseconds, resulting in several photoelectrons (pes) to pile-up at the anode. In such scenario, the signal generated by each pe is entangled to the others, and an accurate charge reconstruction becomes challenging. Thus, leads to a degradation of the resolution of the antineutrino energy spectrum. In the second part of this manuscript, it is described an experimental method able to address the charge reconstruction in the case of large pe pile-up, providing an unbiased charge estimator at the permille level up to 15 detected pes. The method is based on a signal filtering technique (Wiener filter) which suppresses the noise due to both pmt and readout electronics, and on a Fourier-based deconvolution able to minimize the influence of signal distortions — such as an overshoot.