Toward the first neutrino mass measurement of Holmes

The absolute mass of neutrinos is one of the most important riddles yet to be solved, since it has many implications in Particle Physics and Cosmology. The only model independent method of measuring the neutrino mass is based on the kinematic analysis of the beta or the electron capture (EC) decay, which only assumes momentum and energy conservation. Holmes is an ERC project started in 2014, which is currently being set up in the cryogenic laboratory of the University of Milano Bicocca. It will perform a direct measurement of the neutrino mass with a sensitivity of the order of 1 eV. In addition, it will prove the scalability of this technique to a next generation experiment that might go beyond the current expected sensitivity of the state of the art experiment, KATRIN. In order to reach its goal sensitivity, Holmes will use 1000 low temperature microcalorimeters, each implanted with an activity of 300 Bq of 163 Ho, performing thus a calorimetric measurement. In a calorimetric measurement of the electron capture (EC) decay of 163Ho, all the energy is measured except for the fraction carried away by the neutrino. Although the neutrino is not detected, the value of its mass affects the shape of the de-excitation spectrum, reducing also the end-point of the spectrum by an amount equal to m_nu. The spectrum distortion is statistically significant only in a region close to the end-point, where the count rate is lowest and background can easily hinder the signal. In terms of achievable statistical sensitivity, 163 Ho is one of the best candidate, given the combined effect of its low Q-value (2.833 keV) and the proximity of the highest energy peak to the end-point of the spectrum. 163 Ho also has a relatively short half life of 4570 years, which allows to embed a small number of nuclei in a small absorbing volume. Each single Holmes detector is composed of a 163 Ho ion-implanted gold absorber thermally coupled to a Transition Edge Sensor (TES). A TES is a sensitive thermometer, consisting of a superconductor Mo/Cu bi-layer film. The Holmes detectors not only need a fast recovery time to reduce the amount of dead time but also a quick time response to discriminate between two nearly coincident interactions. The latter is limited by the maximum sampling frequency set by the bandwidth of the acquisition system, which in turn is set by the number of detectors that need to be readout at the same time. Given the target number of detectors and the single pixel activity, the detectors and the microwave multiplexing readout system will be pushed to their limits to meet the Holmes requirements. During my PhD work I took care of various tasks, both hardware and software related. I tested the detector fabrication process and measured the resulting detector performances with the microwave multiplexing readout using external X-ray sources. I also studied the expected background due to cosmic rays and environmental radioactivity. At the same time, I developed a modular and robust software for signal processing and data analysis, alongside new algorithms for the pile-up discrimination, the Holmes expected main source of background. Chapter one briefly reviews the experimental efforts on the neutrino mass determination, with a spotlight on the state of the art experiments, while chapter two presents the Holmes experiment with its expected statistical sensitivity. Chapter 3 firstly introduces the physics behind the behavior of a Transition Edge Sensors, then focuses on the specific design and fabrication process of the Holmes detectors. Chapter 4 presents the analysis routines required to produce a clean calibrated spectrum from a raw dataset. Chapter 5 finally shows the measured detectors performances. The last part of the dissertation presents the expected background rate after the studies conducted with a dedicate measurements campaign.

Gli unici metodi per misurare la massa del neutrino che non siano dipendente dal modello teorico sono quelli basati sullo studio cinematico del decadimento beta o per cattura elettronica, poiché assumono solo la conservazioni di energia e momento. Holmes è un progetto ERC che è iniziato nel 2014 e che è portato avanti nei laboratori di criogenia dell’università di Milano-Bicocca. Il suo obiettivo è quello di effettuare una misura diretta della massa del neutrino con una sensibilità statistica dell’ordine dell’elettronvolt. Inoltre, proverà anche la fattibilità di questa tecnica per una futuro esperimento che mirerà a superare la sensibilità attuale di KATRIN, che rappresenta lo stato dell’arte delle misure dirette. Per raggiungere la sensiblità di 1 eV. Holmes farà una misura calorimetrica, adottando 1000 microcalorimeteri a basse temperature, ognuno dei quali verrà impiantato con una attività di 300 Bq di 163 Ho. In una misura calorimetrica del decadimento per cattura elettronica dell’Ho, tutta l’energia viene misurata eccetto quella del neutrino. Anche se il neutrino non viene rivelato, il valore della sua massa altera la forma dello spettro di diseccitazione, riducendo anche il valore dell’end-point di un eguale valore. Questa distorsione dello spettro è misurabile solo in una regione vicino all’end-point, dove il rate di conteggi è basso e il background può facilmente nascondere il segnale. Il 163 Ho rappresenta il miglior candidato per una misura calorimetrica della massa del neutrino in termini di sensibilità statistica, dato che ha un Q valore basso di 2833 eV. Inoltre ha anche una vita media relativamente breve (4570 anni), che permette di inserire una piccola quantità di nuclei in un piccolo volume contenitivo. Ogni singolo rivelatore di Holmems è composto da un assorbitore in oro con l’olmio impiantato, termicamente accoppiato a un Transition Edge Sensor (TES), il quale è un termometro molto sensibile, costituito da un bilayer superconduttivo di Mo/Cu. I rivelatori di Holmes devono produrre dei segnali sia dal veloce tempo di salita, per ridurre il pile-up, sia con un veloce tempo di discesa, per ridurre il tempo morto della misura. Il tempo di salita è però limitato dalla massima frequenza di campionamento data dalla banda del sistema di acquisizone, che a sua volta è fissata dal numero di rivelatori che devono essere letti in contemporanea. Dato il numero previsto di rivelatori e di attività, sia i TES che il sistema di lettura microwave multiplexing saranno spinti al loro limite per soddisfare i requisiti dell’esperimento. Durando il mio dottorato, mi sono occupato di vari compiti, sia software che hardware. Ho testato i processi che portano alla fabbricazione finale dei rivelatori TES e ho misurato le loro performance con il sistema di lettura a microonde usando una sorgente di raggi X esterna. Ho inoltre studiato il background atteso dovuto ai raggi cosmici e alla radioattività naturale. Allo stesso tempo, ho sviluppato un software modulare per l’analisi del segnale e dei dati, assieme a innovativi algoritmi per la discriminazione del pile-up, la fonte di background più importante per Holmes. Nel capitolo 1 presento brevemente il panorama sperimentale sulla misura della massa del neutrino, mentre nel capitolo 2 parlerò in particolare dell’esperimento Holmes. Nel capitolo 3 introduco la fisica che sta alla base della risposta dei rivelatori TES, per poi concentrarmi sul design di quelli adottati da Holmes. Nel capitolo 4 presento le routine di analisi che ho sviluppato per produrre uno spettro calibrato a partire dai dati grezzi. Il capitolo 5 finalmente presenta le performance che ho misurato dei rivelatori di Holmes. Nell’ultima parte di questo elaborato presenterò invece i risultati ottenuti nella campagna di misure atta a stimare il rate atteso di background.