Development of the readout electronics for the DUNE Photon Detection System

The Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) is an international long-baseline neutrino physics experiment composed of two detectors separated by 1300 km and exposed to a high-intensity neutrino beam. The Far Detector (FD) will consist of a set of four Large Liquid Argon Time Projection Chamber (LArTPC) detectors with a total mass of 70 kilotons, installed 1.5 km underground at the Sanford Underground Research Facility (SURF). The Near Detector (ND) will be located approximately 574 m from the beam source at Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), serving as the beam monitoring system. The Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) will deliver and support the 1.2 MW proton beam, with future plans to upgrade to 2.4 MW. Upon collision with a high-power production target, this beam will generate a very intense neutrino flux aimed in the direction of the ND and FD. The main scientific goals of DUNE are to carry out a comprehensive program of neutrino oscillation measurements, search for proton decays, and detect and measure the neutrino flux from core-collapse supernovae within our galaxy. The scintillation light produced by charged particles passing through the LArTPC is key to providing the initial time of ionization required to reconstruct events. The highly performing Photon Detection System (PDS) exploits a novel technology, the X-ARAPUCA device, a box with highly reflective internal surfaces that will capture the 128 nm scintillating photons through an acceptance window employing dichroic filters and wavelength shifter (WLS) materials. The trapped photons are detected by a large number of Silicon Photomultipliers (SiPM) amplified and "ganged" in parallel or in a hybrid parallel-series configuration by a very low-noise transimpedance amplifier, the cold amplifier, designed to operate in the cryogenic environments inside the cryostat. The DAPHNE board is the analog-front end system that will manage the digitization and triggering of 40 cold amplifier channels or ten PDS modules in an Anode Plane Assembly (APA). This Ph.D. thesis work focuses on the development of the readout electronics of the PDS, along with the optimization and validation of the interface between the SiPMs, cold electronics, and DAPHNE, demonstrating that a PDS module can be triggered at single photoelectron (PE) levels, achieve a Signal-to-Noise Ratio (SNR) greater than 4 with a dynamic range of 2000 PE. The investigation to achieve validation encompassed the development of an end-to-end simulation to enhance signal performance, the creation of advanced data acquisition software for testbench applications with DAPHNE, longevity testing of the cold electronics' active components in cryogenic conditions, hardware modifications in DAPHNE to enhance the SNR up to 7.3, performance measurements of the cold amplifier and DAPHNE interface with SiPM from two vendors: Fondazione Bruno Kessler (FBK) and Hamamatsu Photonics K.K. (HPK), optimum filtering and undershoot compensation, and the development of a triggering system for DAPHNE.

Il Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) è un esperimento internazionale di fisica del neutrino che si basa sullo schema a longbaseline: due siti di rilevatori, separati da 1300 km, vengono esposti ad un fascio di neutrini ad alta intensità. Il Far Detector (FD) sarà costituito da quattro Large Liquid Argon Time Projection Chamber (LArTPC) detectors installati a 1.5 km sotto terra presso il Sanford Underground Research Facility (SURF) e con una massa totale di 70 mila tonnellate. Il Near Detector (ND) sarà posizionato a circa 574 m dalla sorgente del fascio presso il Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) e fungerà da sistema di monitoraggio del fascio. Il Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) produrrà un fascio di protoni da 1.2 MW di intensità, la quale verrà portata a 2.4 MW nella seconda fase dell'esperimento. In seguito alla collisione dei protoni ad alta energia con una targhetta fissa, si genererà un flusso di neutrini molto intenso lungo la direzione di ND e FD. I principali studi di fisica di DUNE prevedono un programma completo di misure delle oscillazioni dei neutrini, la ricerca del decadimento del protone e la rivelazione di neutrini provenienti dal collasso del nucleo delle supernove che, eventualmente, avverranno all'interno della nostra galassia. La luce di scintillazione prodotta dalle particelle cariche che attraversano la LArTPC è fondamentale per fornire il tempo iniziale di ionizzazione, informazione necessaria per ricostruire con precisione il vertice di interazione degli eventi. Il Photon Detection System (PDS) è un dispositivo ad alte prestazioni che sfrutta la nuova tecnologia dell' X-ARAPUCA: un sistema con superfici interne totalmente riflettenti che intrappola i fotoni di scintillazione di 128 nm grazie ad una finestra di accettazione, filtri dicroici e materiali wavelength shifter (WLS). I fotoni contenuti sono rilevati dai Silicon Photomultipliers (SiPM) amplificati e "raggruppati", in parallelo o in una configurazione ibrida parallelo-serie, da un amplificatore a transimpedenza a bassissimo rumore: il cold amplifier, progettato per operare negli ambienti criogenici all'interno del cryostat. La scheda DAPHNE è il sistema di front-end analogico che gestirà la digitalizzazione e l'alimentazione di 40 canali di amplificatori freddi o dieci moduli PDS in un Anode Plane Assembly (APA). Questo lavoro di tesi di dottorato si concentra sullo sviluppo dell'elettronica di lettura del PDS, insieme all'ottimizzazione e alla convalida dell'interfaccia tra i SiPM, l'elettronica a freddo e DAPHNE, dimostrando che un modulo PDS è sensibile a singoli fotoelettroni (PE), raggiungendo un Signal-to-Noise Ratio (SNR) maggiore di 4 con un range dinamico di 2000 P.E.. L'indagine per raggiungere la convalida ha richiesto lo sviluppo di una simulazione end-to-end per migliorare le prestazioni del segnale, la creazione di un avanzato software di acquisizione dati per applicazioni di testbench con DAPHNE, test di longevità dei componenti attivi dell'elettronica a freddo in condizioni criogeniche, modifiche hardware in DAPHNE per migliorare il SNR fino al 7.3, stime delle prestazioni dell'amplificatore a freddo e dell'interfaccia DAPHNE con SiPM da due fornitori: Fondazione Bruno Kessler (FBK) e Hamamatsu Photonics K.K. (HPK), il filtraggio ottimale e la compensazione dell'undershoot e lo sviluppo di un sistema di trigger per DAPHNE.