Studies of innovative photon detectors working in the single-photon regime for the RICH detector of the CLAS12 experiment

Lo scopo principale della fisica delle alte energie è investigare la struttura subatomica della natura che ci circonda. Per farlo, molti laboratori ed esperimenti usano diverse tecniche di rivelazione, sfruttando il continuo sviluppo tecnologico, per raggiungere sempre nuovi livelli di precisione per rivelare nuove particelle. Il lavoro presentato si interessa dei rivelatori di fotoni per un innovativo rivelatore Ring Imaging CHerenkov che fa parte del potenziamento dell'esperimento CLAS12: CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator) Large Acceptance Spectrometer at 12 GeV. Questo esperimento si trova presso il laboratorio nazionale Thomas Jefferson ed è il proseguimento del precedente esperimento, CLAS, che usufruiva del fascio di elettroni a 6 GeV. Il laboratorio ha recentemente completato il potenziamento della strumentazione per raddoppiare l'energia del fascio e aumentare la luminosità. La collaborazione in questa fase ha deciso di sostituire una parte del rivelatore Cherenkov a gas con il RICH per poter migliorare le capacità di rivelazione in un intervallo più ampio di energie. Il rivelatore sarà composto da due moduli progettati con un disegno ottico ibrido per poter soddisfare le specifiche di prestazione e i vincoli geometrici dell'esperimento: massimizzazione dell'area attiva di rivelazione, minimizzazione di tempi morti dell'elettronica, alte risoluzioni spaziali e temporali. Sono però stati scelti due rivelatori di fotoni diversi, seguendone principalmente lo sviluppo tecnologico: il primo modulo, già installato, è basato sulla tecnologia matura dei tubi fotomoltiplicatori a multi anodo (MAPMT), mentre il secondo, pronto tra pochi anni, utilizzerà una soluzione innovativa e monterà fotomoltiplicatori al silicio (SiPM). Il RICH di CLAS12 è il primo rivelatore ad utilizzare fotomoltiplicatori a multi anodo di grande area per coprire un’ampia superficie. Per poter lavorare in condizioni di singolo fotone è stata sviluppata un specifica elettronica di front-end. In questo lavoro verranno presentate le diverse fasi che hanno anticipato l'istallazione nella sala sperimentale: preparazione di tutte le componenti (sensori e schede di elettronica) per la caratterizzazione, l'analisi dei dati collezionati in questa fase per definire i parametri di lavoro ottimali durante i run di fisica e preparazione di un set di indicatori di rifermento da confrontare con i futuri dati estratti dai run di calibrazione dell'esperimento. La seconda parte del lavoro riguarda il settore del RICH che verrà installato nel prossimo futuro e che, sfruttando la loro rapida evoluzione tecnologica, prevede l'utilizzo dei SiPM. Gli studi per validare il loro uso in condizioni di singolo fotone sono stati fatti, e presentati in questo documento, a partire da un test di irraggiamento con lo sviluppo di un'analisi ad-hoc per lo studio approfondito del rumore di fondo. Inoltre sono presentati anche i test preliminari fatti per studiare il comportamento delle matrici di SiPM connesse con l'attuale elettronica di lettura del segnale sviluppata appositamente per il RICH. Infine viene descritto il processo di assemblaggio e di messa in opera del rivelatore finale. Un test per lavorare con i raggi cosmici e simulare le condizioni finali di lavoro del foto-rivelatore è stato realizzato prima dell’installazione all’interno del modulo RICH. Questo ha permesso di fare una verifica della mappatura del rivelatore e della risoluzione temporale. Questo lavoro si è concentrato su validazione, caratterizzazione e messa in opera di rivelatori di fotoni innovativi per applicazioni Cherenkov in condizioni di singolo fotone. I risultati ottenuti hanno portato ad installare con successo il primo settore del RICH che ora sta già prendendo dati nell'esperimento e a validare l'utilizzo dei SiPM per il secondo settore ai livelli di radiazione attesi nella sala sperimentale del laboratorio.

Subatomic particles interaction have been the main goal of high energy physics. Worldwide experimental facilities use different techniques to improve the knowledge of the elementary components of the nature around us. Many experiments have been built during the years with a continuously improving technology to boost the precision with which detect new particles and structures. This work is focused on the photon detectors for a newer and innovative Ring Imaging CHerenkov detector (RICH). It is the most recent development of the so-called CLAS12 experiment. CLAS12 it is the acronym for CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility) Large Acceptance Spectrometer at 12 GeV and it is an experiment hosted by the Thomas Jefferson National Accelerator Facility (JLAB). It is the follower of the old CLAS experiment built for the 6 GeV electron beam energy. The JLAB facility has recently been upgraded together with all the experiments involved in it, to double the beam energy and increase by orders of magnitude the luminosity. For this upgrade the CLAS12 collaboration decided to replace one of the already existing gas Cherenkov detector with the RICH in order to improve detection capabilities over the wider range of momentum achievable with the new beam. The RICH detector will be composed of two modules having similar geometry. They will both have an hybrid optic design to satisfy performance requirements and geometrical constraints: small dead space, low dead time, high spatial and time resolutions. For the active part, two different photon detector have been chosen: the first module, already installed, is based on Multi-Anode PhotoMultiplier Tubes (MAPMTs) while the second one, to be ready in few years, will be build with Silicon PhotoMultiplier (SiPM). The CLAS12 RICH is the first to use flat panel MAPMTs of large area. A dedicated front-end electronics has been developed for the readout of this kind of sensors, to enable single photon detection. In this thesis, the author's contribution to the study step that preceded the active component's installation on the first sector of the detector are presented: preparation of the laser setup for the characterization of all the final components (sensors and electronics), analysis of the collected data to extract a set of parameters that optimizes the performance of the MAPMTs during the physics runs and definition of a set of performance indicators to be used as a reference during calibration run. The author's work continues with the photon sensor studies for the second sector that will be installed in the next future. Although SiPMs have never been used in Cherenkov application, the rapid evolution in their production technology has lately opened interesting opportunities. The test to validate the SiPM use in the CLAS12 environment are described starting from the irradiation test, introducing a detailed study of the dark counts, dedicated to the characterization of the non trivial detector background. A preliminary test of the single photon detection capability of novel SiPM matrices in conjunction with the RICH readout electronics is also shown to validate their use togheter. As a completion of the author's work, the photon detector assembling and commissioning is described. A dedicated setup was developed to test the photon detector with cosmic muons, in a configuration mimicking the one in the experimental hall. This allowed to test the correct mapping of the detector and the timing precision. This work concentrates on the validation, characterization and commissioning of novel photon sensors for the challenging Cherenkov application, that requires single photon capability. It has lead to the installation of the first RICH sector that is now installed and running in the CLAS12 experiment and the validation of SiPM use in the single photon regime for the second RICH module at the moderate radiation levels foreseen in the experimental Hall B at JLAB.