German Title: Flüssigxenon-Detektor-Physik mit XENON1T und HeXe: Stabilität elektrischer Störsignale, Studien zum Diskriminieren von Untergrundereignissen und Messungen der Szintillations-Pulsform

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Abstract

Liquefied xenon (LXe) is a popular detection medium for experiments searching for rare interactions proposed by beyond the Standard Model theories. It is employed in dual-phase time projection chambers (TPCs) used by experiments such as XENON1T, which attempt to measure particle dark matter interactions as well as the neutrinoless double-beta decay. A precise understanding of the processes behind the signals of such detectors is necessary to discriminate between background and signal events as well as possible.

This work presents analyses regarding LXe TPCs physics. In the first part, the temporal evolution of electric noise in the XENON1T experiment is examined. Furthermore, a selection criterion, which has been developed to exclude interactions happening in the TPC’s gas phase, is extended to higher energy scales. Finally, it is investigated whether the LXe scintillation pulse shape allows to discriminate between nuclear recoils and background electronic recoils which originate from decays in or on TPC reflector panels. The pulse shape is also the topic of the second and final part. There, its electric field strength dependence is measured, using the TPC of the HeidelbergXenon (HeXe) system, for conversion electrons coming from 83mKr decays as well as for alpha-particles from decays of 222Rn and daughters.

Translation of abstract (German)

Verflüssigtes Xenon (LXe) ist ein beliebtes Detektionsmedium bei Experimenten, die nach seltenen Ereignissen suchen, die von über das Standardmodell hinausgehenden Theorien vorhergesagt werden. Unter anderem wird es in Zwei-Phasen-Zeitprojektionskammern (TPCs) von Experimenten wie XENON1T verwendet, die versuchen, Wechselwirkungen von Dunkle-Materie-Teilchen sowie den neutrinolosen Doppel-Beta-Zerfall zu messen. Ein genaues Verständnis der Prozesse hinter der Signalen solcher Detektoren ist dabei nötig, um störende Untergrundereignisse von den gesuchten Signalen so gut wie möglich trennen zu können.

In dieser Arbeit werden Analysen vorgestellt, die sich mit der Physik von LXe TPCs befassen. Im ersten Teil wird für das XENON1T-Experiment die zeitliche Entwicklung elektrischer Störsignale betrachtet. Weiterhin wird ein Auswahlkriterium, das entwickelt wurde, um Wechselwirkungen, die in der Gasphase der TPC stattfinden, auszuschließen, auf höhere Energieskalen erweitert. Zuletzt wird untersucht, ob die Pulsform des LXe-Szintillationslichts es erlaubt, zwischen Kernrückstoß-Interaktionen und Elektronrückstoß-Untergrundereignissen, die von Zerfällen in oder auf den Reflektorpanelen der TPC verursacht werden, zu unterscheiden. Die Pulsform ist auch Thema des zweiten und letzten Teils. Hier wird sie mit Hilfe der TPC des HeidelbergXenon-Systems (HeXe) für Konversionselektronen aus Zerfällen von 83mKr sowie für Alpha-Teilchen aus den Zerfällen von 222Rn und dessen Töchtern in Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke gemessen.