Characterisation of Large Area Picosecond Photodetectors for Future Neutrino Experiments

Abstract

Trotz bedeutender Fortschritte in der Neutrinophysik bleiben grundlegende Fragen offen, etwa zur CP-Verletzung bei Neutrinooszillationen, zur Massenhierarchie oder zur Natur der Neutrinos als Dirac– oder Majorana-Teilchen. Ihre Beantwortung erfordert künftig hochpräzise Messungen über einen weiten Energiebereich hinweg. Bei GeV-Energien erschweren jedoch nukleare Effekte die Rekonstruktion von Neutrinoereignissen, da sie die primäre Wechselwirkung überlagern. Eine zentrale Rolle spielen dabei Nukleonen im Endzustand.

Das “Accelerator Neutrino Neutron Interaction Experiment” (ANNIE) am Fermilab zielt auf die Messung der Neutronenanzahl im Endzustand von Neutrino-Nukleus-Wechselwirkungen ab, um systematische Unsicherheiten in aktuellen und zukünftigen Neutrinoexperimenten zu verringern. Darüber hinaus fungiert ANNIE als Technologiedemonstrator. Es ist eines der ersten Neutrinoexperimente, das wasserbasierten Flüssigszintillator (WbLS) verwendet und zugleich das erste Experiment überhaupt, welches “Large Area Picosecond Photodetectors” (LAPPDs) einsetzt.

Diese LAPPDs sind neuartige Photodetektoren auf Basis von Mikrokanalplatten (MCPs), die eine große aktive Fläche von 373 cm² mit zweidimensionaler Ortsauflösung im Subzentimeterbereich und Zeitauflösung im Pikosekundenbereich kombinieren. Damit zählen sie zu den vielversprechendsten Photodetektoren für den Einsatz in zukünftigen Neutrinoexperimenten. Aufgrund ihres frühen Entwicklungsstadiums ist jedoch eine detaillierte Charakterisierung erforderlich, um ihre Leistungsfähigkeit umfassend zu bewerten.

In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene LAPPDs der ersten Generation eingehend untersucht, einschließlich ihrer Verstärkung, Dunkelzählrate sowie Zeit- und Positionsauflösung. Darüber hinaus wurden Übersprecheffekte, Veränderungen der Pulsamplitude sowie Zuverlässigkeitsaspekte untersucht. LAPPD #94 zeigte eine Verstärkung von mehr als 1E7, eine Dunkelzählrate von ∼ 274 Hz/cm² und eine Zeitauflösung von (138 ± 85) ps. LAPPD #148 erreichte eine vergleichbare Verstärkung, wies jedoch eine erhöhte Dunkelzählrate von 5 kHz/cm² auf. Für LAPPD #148 wurden Ortsauflösungen von 3.8mm in paralleler und 0.8mm in transversaler Richtung sowie eine Zeitauflösung von (171±67) ps bestimmt. Die Signalamplituden zeigten entlang der Anodenstreifen eine asymmetrische Abschwächung. Das Übersprechverhalten kennzeichnete sich durch das Auftreten bipolarer Signale auf allen Anodenstreifen mit Amplituden von 3% bis 4% des Betrags des Hauptsignals. In transversaler Richtung zeigte das Übersprechen eine Ausbreitungsgeschwindigkeit von etwa 0.33c. Die Charakterisierung dieser LAPPDs in einem eigens entwickelten Teststand leistet einen wichtigen Beitrag zur weiteren Optimierung dieser Photosensoren für künftige Großexperimente. Die hier präsentierten Ergebnisse unterstützen die Integration von LAPPDs in kommende Neutrinodetektoren und tragen zur Steigerung der Präzision zukünftiger Messungen bei.

Despite major breakthroughs in neutrino physics over recent decades, several open questions remain, including CP violation in neutrino oscillations, the neutrino mass ordering, and whether neutrinos are Dirac or Majorana particles. Addressing these challenges requires future high-precision measurements across a broad energy range. However, in the GeV regime, nuclear effects complicate the reconstruction of neutrino interactions by obscuring the primary interaction, with final-state nucleons playing a crucial role in interpreting detector signals. The Accelerator Neutrino Neutron Interaction Experiment (ANNIE) at Fermilab is aimed at measuring the neutron multiplicity in neutrino–nucleus interactions, a key quantity for reducing systematic uncertainties in current and future experiments. ANNIE also serves as a technology demonstrator, being one of the first to employ Water-based Liquid Scintillator (WbLS) and the first that has deployed Large Area Picosecond Photodetectors (LAPPDs). These LAPPDs are novel microchannel plate (MCP) based photodetectors that combine a large active area of 373 cm² with sub-centimetre two-dimensional position resolution, while maintaining a picosecond time resolution, making them prime candidates for current and future neutrino experiments. Due to their early development stage, however, detailed characterisation is necessary to fully understand their performance. This thesis presents an in-depth study of two Generation-I LAPPDs, including measurements of gain, dark count rates (DCRs), timing and position resolution, as well as crosstalk, pulse shape observations, and reliability implications. LAPPD #94 demonstrated excellent baseline performance, with a gain in excess of 1E7, a low dark count rate of ∼ 274 Hz/cm², and a time resolution of (138 ± 85) ps. LAPPD #148 showed a similar gain, but exhibited an elevated dark count rate of 5 kHz/cm². For LAPPD #148, parallel and transverse position resolutions of 3.8 mm and 0.8 mm were found, while time resolution measurements yielded (171 ± 67) ps. Signal amplitude attenuation along striplines was found to be asymmetric and crosstalk was characterised by a bipolar response with consistent amplitudes of 3% to 4% of the main signal across all striplines and a transverse propagation speed of one-third the speed of light. By evaluating these LAPPDs in a controlled environment, this work contributes to the ongoing optimisation of picosecond photodetectors for large-scale applications. The findings presented here support the integration of LAPPDs into next-generation neutrino detectors, enhancing the precision and capabilities of future neutrino research. untranslated