German Title: 222Rn Messungen in XENONnT und HeXe, sowie Methoden zur Radonreduktion für zukünftige flüssig Xenon Detektoren

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PDF, English - main document Download (26MB) | Lizenz: From 222Rn measurements in XENONnT and HeXe to radon mitigation in future liquid xenon experiments by Jörg, Florian underlies the terms of Creative Commons Attribution 4.0

Abstract

While overwhelming evidence has been found for the existence of dark matter in our universe, its true nature remains a mystery. The XENONnT experiment has recently completed its commissioning and is now on the quest to solve this puzzle. This endeavor is threatened by the background caused by the emanation of 222Rn. In this work, a first estimate of the experiment’s radon concentration will be given. Furthermore, the capabilities of the distillation-based radon removal system are demonstrated. For future liquid xenon (LXe) based experiments, the 222Rn-induced background needs to be suppressed even further. A novel radon mitigation technique using surface coatings has been investigated. Very promising reduction factors of more than three orders of magnitude have been achieved with electrochemically plated copper layers, applied to radium implanted stainless steel samples. Additionally, the interactions of alpha particles from 222Rn and electrons from 83mKr have been studied in the Heidelberg Xenon (HeXe) time projection chamber (TPC). Field dependent measurements of the electron drift velocity as well as the charge and light yield are presented. For both, an emphasis was put on the regime of low drift fields, to improve the modeling and reconstruction in future LXe detectors.

Translation of abstract (German)

Obwohl viele Hinweise auf die Existenz dunkler Materie hindeuten, bleibt deren grundlegende Beschaffenheit weiterhin ungeklärt. Das kürzlich in Betrieb genommene XENONnT Experiment, begibt sich nun auf die Suche nach einer Antwort auf diese Frage. Das Gelingen dieses Unterfangens wird maßgeblich vom Untergrund aufgrund der 222Rn Emanation beeinflusst. Eine erste Abschätzung der Radonkonzentration, sowie deren mögliche Reduktion mithilfe einer neuen Destillationsanlage werden in dieser Arbeit dargelegt. Zukünftige flüssig Xenon Detektoren stellen deutlich höhere Anforderungen an die Reduktion dieses Untergrunds. Diese können nur mithilfe neuartiger Methoden zur Radonreduktion bedient werden. Diesbezüglich wurden sehr vielversprechende Ergebnisse mit elektrochemisch deponierten Kupfer Schichten erreicht. Mit deren Hilfe ließ sich die Radonemanation von Radium implantierten Edelstahlproben um mehr als drei Größenordnungen reduzieren. Weiterhin wurde die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Alphateilchen mit flüssigem Xenon untersucht. Vermessen wurde die Feldstärkenabhängigkeit der Xenon Szintillation und Ionisation, sowie die Driftgeschwindigkeit von Elektronen. Ein besonderes Augenmerk wurde hierbei auf den Bereich niedriger Feldstärken gelegt, wodurch sich die Modellierung und Rekonstruktion zukünftiger Detektoren verbessern lässt.