The mDOM – a multi-PMT digital optical module for the IceCube-Gen2 neutrino telescope

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2017-08-21
Issue Year
2017
Authors
Classen, Lew
Editor
Abstract

Inspired by the discovery of a comogenic high-energy neutrino flux in IceCube, plans are under way for the construction of new neutrino observatory at the South pole. This next-generation neutrino telescope, IceCube-Gen2, will expand the sensitivity range to lower as well as towards higher neutrino energies with respect to the currently operating IceCube detector.

While the compact and densely instrumented low-energy component will, amongst other questions, address neutrino mass hierarchy, the large-volume high-energy array primarily aims at the first detection of neutrino point sources.

A substantial increase of detector sensitivity is expected from the employment of novel optical sensors. One of the most auspicious of the new designs is based on the multi-PMT concept first introduced in the KM3NeT detector. As indicated by its name, a multi-PMT optical module houses, inside a transparent pressure vessel, an array of small-size PMTs. The effective segmentation of the sensitive area entails some attractive advantages compared to the conventional layout featuring a single large-area PMT. Most prominent among those advantages are an increased effective area uniformly covering the solid angle, an extended dynamic range, as well as intrinsic directional sensitivity of the module.

Within the scope of this thesis, the development of a dedicated multi-PMT Digital Optical Module for IceCube-Gen2 has been advanced from the original ideas to a stage where the realization of a first fully featured and working prototype is expected within a year. The reported work includes testing and detailed characterization of key hardware components, simulation studies concerning pressure stability and performance capabilities, as well as first steps towards the construction of a prototype of the novel module.

Abstract

Nach der erstmaligen Messung eines hochenergetischen astrophysikalischen Neutrinoflusses durch IceCube, wird momentan intensiv an den Planungen zur nächsten Generation eines Neutrino-Observatoriums am Südpol, IceCube-Gen2, gearbeitet. Dabei ist vorgesehen den Energiebereich nachweisbarer Neutrinos sowohl zu niedrigeren als auch zu höheren Energien hin gegenüber dem aktuellen IceCube Detektor zu erweitern.

Während die kompakte, dicht instrumentierte Niedrigenergiekomponente, unter anderem, zur Messung der Neutrinomassenhierarchie verwendet werden soll, wird die Suche nach Neutrinopunktquellen eine der Zielsetzungen der Hochenergiekomponente sein.

Eine wesentliche Steigerung der Sensitivität von IceCube-Gen2 wird dabei von neuen optischen Sensoren erwartet. Eines der vielversprechendsten Designs ist hierbei das sogenannte multi-PMT-Modul. Optische Module nach diesem Konstruktionsprinzip wurden erstmals im KM3NeT Detektor realisiert. Sie bestehen aus einer Anordnung mehrerer kleiner Photomultiplier innerhalb eines transparenten Druckkörpers, was, durch eine effektive Segmentierung der sensitiven Fläche, einige Vorteile gegenüber dem konventionellen Design mit einem großen PMT bietet, darunter eine vergrößerte effektive Fläche, eine gleichmäßige Raumwinkelabdeckung sowie intrinsische Richtungssensitivität und eine Erweiterung des dynamischen Signalbereichs.

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde die Entwicklung eines multi-PMT Digitalen Optischen Moduls (mDOM) für den Einsatz im IceCube-Gen2 Detektor aufgenommen, die nach derzeitigem Stand innerhalb eines Jahres in die Fertigstellung eines voll funktionsfähigen Prototyps münden wird. Die Arbeiten umfassten, neben Testreihen zur detaillierten Charakterisierung zentraler Hardware-Komponenten, sowohl Simulationsstudien zur Druckstabilität und Leistungsfähigkeit des Moduls, als auch Vorarbeiten für die Prototypkonstruktion.

DOI
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