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Abstract

The XenonnT experiment, successor of Xenon1T, aims at probing the cross sections of the interaction between a WIMP, a well-motivated dark matter candidate, and a xenon nucleus down to 1.4 × 10−48 cm2; in addition, it will allow to distinguish if the electronic event excess observed by Xenon1T was due to new physics or a new standard model background. XenonnT employs 8.5 tonnes of xenon in a dual-phase Time Projection Chamber (TPC) and it needs both ultra-pure xenon and an ultra- low background for increasing the sensitivity. Some of the impurities of concern are: radioactive impurities such as 85Kr, 222Rn and its progenies, and 3H, since they increase the background rate; electronegative impurities such as oxygen, since they reduce the amount of electrons in the TPC. In the first part of this thesis, we present an offline purity monitor, able to detect trace impurities at sub-ppb level. The setup uses a combination of Atmospheric Pressure Ionization Mass Spectrometry (APIMS), with a commercial APIX dQ from ThermoFisher, and a custom-made gas chromatography setup. The setup is used to measure xenon samples from the start of the science run of XenonnT. First results are given on oxygen and hydrogen contamination of the gaseous phase. In the second part, a study of deposition of 222Rn daughters on Polytetrafluoroethylene (PTFE) is presented. The study was conducted in the framework of the assembly of the XenonnT TPC, as PTFE is the most abundant material. Results are given for several PTFE samples that were deployed during the Xenon1T TPC construction phase.

Translation of abstract (German)

Das XenonnT-Experiment, der Nachfolger von Xenon1T, hat sich die Untersuchung des Wirkungsquerschnitts von Wechselwirkungen zwischen einem WIMP, welches ein gut motivierter Dunkle-Materie-Kandidat ist, und einem Xenon- Atomkern bis hin zu Werten so klein wie 1, 4 × 10−48 cm2 zum Ziel gesetzt. Desweiteren wird das Experiment es ermöglichen, zu bestimmen, ob der von Xenon1T beobachtete Überschuss an Elektronrückstoßereignissen von neuer Physik oder von einem bislang nicht berücksichtigten Standardmodell-Untergrund verursacht wurde. XenonnT beinhaltet 8,5 Tonnen Xenon in Zweiphasen-Zeitprojektionskammern (TPCs) und benötiget sowohl außergewöhnlich reines Xenon als auch außergewöhnlich kleine Untergrundraten, um eine höhere Sensitivität erreichen zu können. Einige der relevanten Verunreinigugnen sind radioaktive Verunreinigungen wie 85Kr, 222Rn und seine Töchter sowie 3H, da diese zur Untergrundrate beitragen. Dazu kommen elektronegative Verunreinigungen wie Sauerstoff, weil diese die Anzahl der Elektronen in der TPC reduzieren. Im ersten Abschnitt dieser Dissertation wird ein Reinheits-Überwachungsdetektor vorgestellt, der in der Lage ist, Spuren von Verunreinigungen zu messen, die unterhalb einer Größenordnung von 1 ppb liegen. Der Detektor verwendet eine Kombination aus Atmosphärendruck-Ionisations-Massenspektrometrie (APIMS), für die ein kom- merzielles APIX dQ von ThermoFisher verwendet wird, und einem individuell gefertigten Gaschromatographie-Aufbau. Der Detektor wird verwendet, um Xenon-Proben aus der Zeit der ersten XenonnT-Datennahmeperiode zu untersuchen. Es werden erste Resultate bezüglich der Verunreinigung der Gasphase mit Sauerstoff und Wasserstoff vorgestellt. Im zweiten Abschnitt wird eine Studie über die Ablagerung von 222Rn- Töchtern auf Polytetrafluorethylen (PTFE) vorgestellt. Die Studie wurde im Kontext des Zusammenbaus der XenonnT-TPC durchgeführt, da diese vor allem aus PTFE besteht. Es werden Resultate für mehrere PTFE-Proben präsentiert, die während der Konstruktionsphase der XenonnT-TPC eingesetzt wurden.