Transition Edge Sensor Calorimeters for HOLMES

Neutrinos are the most elusive particle in the Standard model. Since their existence has been proposed by Pauli in the 1930 letter, we have made important steps towards the understanding of neutrinos, yet there are important pieces of information missing: we don't know neutrinos absolute mass scale, nor we know whether they are Majorana or Dirac particles, finally we have not yet solved the so called hierarchy problem. In the last two decades, measurements performed at the Super-Kamiokande, SNO, Daya-Bay and RENO neutrinos observatories have shed light on the neutrino oscillation phenomena and have firmly established the fact that neutrinos do have a non zero mass. Neutrino oscillations experiments are sensible to the square mass difference of neutrino mass eigenstates and they can not provide any information about the absolute mass scale. The most common methods to assess neutrino mass are measurement of the neutrinoless double beta decay rate, cosmological observations and surveys and the direct measurement of the neutrino mass from single beta or electron capture decay spectrum. The latter is the one and only that can provide a model independent measurement since it is purely kinematic and relies solely on the energy conservation principle. The topic of this dissertation is the description of HOLMES, an experiment started in 2015, aiming at performing a direct measruement of neutrino mass from the electron capture spectrum of 163-Ho. In order to be able to reach the desired sub-eV sentivity on neutrino mass, very high statistics have to be gathered at the end point, which is the sensitive part of the spectrum to a non zero neutrino mass; 163-Ho is a very suitable isotope for this purpouse since its low transition value is close to the energy of the M1 orbital from which electrons are captured, enhancing the event rate close to the end point. HOLMES will use low temperature calorimeters with Holmium embedded in the detector itself in order to eliminate the systematics uncertainties arising from the use of an external beta emitting source, typical of spectrometeres. In its final configuration HOLMES will deploy a 1000 detectors array operated at temperatures as low as 60 mK in a dilution refrigerator. The dissertation will be separated in two parts; in the former I will briefly describe the status of neutrino mass direct measurements focusing in detail on the goals of HOLMES experiment, while in the latter I will describe all the necessary steps taken and yet to be taken for operating the final 1000 detectors array, focusing on the development of the multiplexed readout and the characterization of the single HOLMES detector with the related challenges for achieveing the requiered performances in terms of time and energy resolution for being able to probe the neutrino mass.

I neutrini sono le particelle meno conosciute di tutto il modello standard. Da quando Pauli ha postulato la loro esistenza nella lettera 1930 sono stati compiuti molti progressi nello studio dei neutrini, ma tutt'ora ci sono delle caratteristiche fondamentali che non conosciamo: non sappiamo la scala di massa dei neutrini, e non sappiamo se sono particelle di Majorana o particelle di Dirac, infine, non abbiamo ancora risolto il problema della gerarchia. Negli ultimi due decenni, grazie alle misure degli esperimenti Super-Kamiokande, SNO, Daya Bay e Reno che hanno confermato l'oscillazione dei neutrini, è stato stabilito il fatto che i neutrini abbiano una massa non nulla. Le oscillazioni dei neutrini però dipendono soltanto dalla differenza di massa al quadrato tra gli autostati massa, quindi non possono fornire alcuna informazione circa la scala di massa assoluta. I metodi più comuni per misurare la massa del neutrino sono il decadimento doppio decadimento beta senza neutrini, osservazioni cosmologiche e la misura diretta della massa del neutrino dallo spettro di un decadimento beta o di una cattura elettronica. La misura diretta è l'unico metodo che permette di misurare la massa senza dipendenze da alcun modello dal momento che si tratta di una misura puramente cinematica e si basa unicamente sul principio di conservazione dell'energia. Il tema affrontato in questa tesi è la descrizione di Holmes, un esperimento iniziato nel 2015 che mira a misurare la massa del neutrino in maniera diretta analizzando lo spettro di cattura elettronica dell'isotopo 163-Ho. Per poter raggiungere una sensibilità sulla massa del neutrino minore di 1 eV è necessario disporre di un'elevata quantità di dati nella regione finale dello spettro, che è la regione dove è evidente l'effetto della massa non nulla del neutrino; 163-Ho è un ottimo isotopo per effettuare una misura simile, data la sua bassa energia di transizione, che si trova inoltre vicino all'energia del livello orbitale M1 da cui gli elettroni vengono catturati, aumentando così il tasso di decadimenti nella regione finale. HOLMES utilizzerà calorimetri a bassa temperatura in cui l'Olmio verrà impiantato, al fine di eliminare le incertezze sistematiche che derivano dall'utilizzo di una sorgente esterna tipica degli spettrometri. Nella sua configurazione finale HOLMES misurerà una matrice di 1000 rivelatori che saranno mantenuti ad una temperatura di funzionamento attorno a 60 mK in un refrigeratore a diluizione. La mia tesi è composta da due parti; nella prima descriverò brevemente lo status delle misure per la determinazione della massa dei neutrini, inquadrando in questo ambito gli obiettivi dell'esperimento HOLMES, mentre nella seconda parte mi limiterò a descrivere tutte le misure effettuate e ancora da effettuare prima di poter misurare la matrice di 1000 rilevatori, concentrandomi sullo sviluppo del sistema di lettura multiplexato e sulla caratterizzazione dei rivelatori di HOLMES descrivendo le sfide intraprese per raggiungere ​​le prestazioni necessarie in termini di risposta temporale e di risoluzione energetica per poter raggiungere la sensisbilità di 1 eV sulla massa neutrino.