German Title: Radon induzierter Untergrund in dem Dunkle Materie Experiment XENON1T und Studien zur Xenon Reinheit in dem HeXe Aufbau

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Abstract

The XENON1T experiment is aiming for the direct detection of dark matter in the form of weakly interacting massive particles (WIMPs) scattering off xenon nuclei. Detecting these rarely-interacting particles requires an unprecedented low background level. In XENON1T, the noble gas 222Rn induces the dominant background, either as electronic recoil (ER) background admixed in the liquid xenon (LXe) volume or as surface background on the Time- Projection-Chamber’s (TPC) wall. In the first part of this thesis, we constrain the amount of 222Rn induced ER background during the complete run-time of the experiment. We furthermore survey the considerable 222Rn reduction during the XENON1T operation, resulting in a final activity concentration of (4.5 ± 0.1) μBq/kg, the lowest one ever achieved in a LXe dark matter experiment. Conclusions drawn are relevant not only for the interpretation of the background level in XENON1T, but also for the next-generation experiment XENONnT. The 222Rn induced surface background can be removed from the PTFE (Polytetrafluoroethylene) wall of the TPC by dedicated surface cleaning methods based on 32% HNO3. In the second part of this work, we constructed a small-scale LXe TPC, the HeXe set-up, to test for the first time if a PTFE surface cleaning based on 32 % HNO3 degrades the xenon purity and the performance of a TPC. No degradation of the xenon purity is observed within the system’s sensitivity, indicating that 32 % HNO3 is a promising candidate for PTFE surface cleaning in LXe TPCs. Our result lays the groundwork for future research towards confirming that the treatment is applicable in large-scale LXe detectors.

Translation of abstract (German)

Das XENON1T Experiment hat den direkten Nachweis von dunkler Materie zum Ziel, in Form von schwach wechselwirkenden massiven Teilchen (engl. WIMPs), die mit Xenon Atomkernen stoßen. Um diese sehr selten wechselwirkenden Teilchen zu detektieren, muss der Untergrund auf ein zuvor unerreichtes Level minimiert werden. Das Edelgas 222Rn verursacht den dominierenden Untergrund in XENON1T. Zum einen hervorgerufen durch Stöße mit den Xenon Hüllenelektronen (engl. ER) im Flüssig-Xenon (engl. LXe) Volumen und zum anderen als Oberflächenuntergrund an den Wänden der Spurendriftkammer (engl. TPC). Im ersten Teil der Arbeit schränken wir den Anteil des 222Rn verursachten ER Untergrundes ein, und zwar über die gesamte Messdauer des Experiments. Zudem quantifizieren wir die beträchtliche Reduzierung des 222Rn Levels während des Experiments, die zu einer finalen Aktivitätskonzentration von (4.5 ± 0.1) μBq/kg führt, dem niedrigsten jemals erreichten Wert in einem LXe dunkle Materie Experiment. Die daraus gezogenen Schlussfolgerungen sind nicht nur für die Interpretation des Untergrunds in XENON1T wichtig, sondern auch für das zukünftige XENONnT Experiment. Der 222Rn verursachte Oberflächenuntergrund auf den PTFE (Polytetrafluorethylen) Wänden der TPC kann durch eine auf 32 % HNO3 basierenden Oberflächenbehandlung entfernt werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit bauen wir eine kleine LXe TPC, HeXe-Aufbau genannt, um zum ersten Mal den Einfluss einer auf 32 % HNO3 basierenden Oberflächenbehandlung auf die Xenon Reinheit und die TPC Leistungsfähigkeit zu testen. Innerhalb der Sensitivitätsgrenze der TPC haben wir keine Xenon Verunreinigung beobachtet, was 32 % HNO3 zu einer vielversprechenden Oberflächenreinigungsmöglichkeit in LXe TPCs macht. Unser Ergebnis legt den Grundstein für weitere Messungen zur Bestätigung, dass die Oberflächenbehandlung auch für großen LXe Detektoren geeignet ist.