Superconducting microwave microresonators for neutrino physics

La determinazione del valore della massa del neutrino rimane un problema tutt'ora irrisolto nel campo della fisica particellare. L'unico approccio sperimentale scorrelato dai modelli teorici per misurare tale massa consiste nella misura cinematica dei prodotti dei decadimenti beta singoli. Nelle misure calorimetriche l'emettitore è immerso nel rivelatore, misurando così l'energia rilasciata nel decadimento per intero, tranne la frazione di energia del neutrino: lo spettro energetico mostra un'energia massima pari a Q-m, ove Q è l'energia di transizione del decadimento e m è la massa del neutrino. La cattura elettronica dell'Ho-163 (Q~2.5 keV) è un decadimento ideale, grazie all'alta frazione di eventi presenti attorno alla massima energia dello spettro di rilassamento. Allo scopo di raggiungere una statistica sufficiente, gli esperimenti calorimetrici devono possedere un elevato numero di rivelatori (~10000). I microrisonatori superconduttivi a microonde sono adatti alla lettura di grandi matrici nel dominio delle frequenze, con risoluzioni energetiche e temporali a energie di qualche keV di ~eV e ~microsecondo. Questi rivelatori sono attualmente usati per misure bolometriche. Lo scopo del mio lavoro è quello di adattare la loro tecnologia per sviluppare rivelatori applicabili alla misura calorimetrica dell'Ho-163. Durante il mio dottorato mi sono occupato dell'installazione della prima struttura in grado di testare questo tipo di rivelatori. Mi sono inoltre occupato della prima installazione e della comprensione del setup a microonde richiesto per misurare i rivelatori. Attrezzando un refrigeratore a diluizione a He3/He4, è stato dimostrato che il setup installato è in grado di leggere due canali in parallelo. Ho sviluppato inoltre un pacchetto software dedicato in grado di acquisire e analizzare i dati provenienti dal setup a omodina usato per la lettura. Infine ho caratterizzato diversi rivelatori, acquisendo dati utili per la selezione dei design e materiali ottimali. I rivelatori misurati sono costituiti di nitruro di titanio (TiN). Allo scopo di ulteriormente migliorare il rapporto segnale-rumore, rivelatori superconduttivi con Tc comprese tra 0.5K e 2K sono stati prodotti e testati. Dopo aver testato una prima geometria con due sorgenti di raggi X a bassa energia, nonostante i fattori di merito fossero sufficientemente alti per ottenere una buona sensibilità, lo spettro energetico non mostrava alcuna struttura attribuibile a una sorgente monocromatica. L'incapacità di risolvere energie monocromatiche è stata attribuita a uno scambio di fononi tra il superconduttore e il substrato su cui poggia: dato il piccolo spessore del superconduttore (al più 200nm), la maggior parte degli eventi avviene nel substrato, causando una popolazione di fononi ad alta energia che possono raggiungere il rivelatore in una quantità che dipende dalla posizione dell'interazione, causando una risposta energetica che dipende dalla posizione. Allo scopo di evitare questo fenomeno, nuove geometrie sono state progettate e testate. In particolare allo scopo di prevenire scambi di fononi tra il superconduttore e il substrato, quest'ultimo è stato rimosso nella regione sottostante la parte sensibile del rivelatore mediante etching. Le misure hanno dimostrato che ancora una grossa frazione di eventi risentono di una dipendenza dalla posizione. Tutti i dispositivi sono stati caratterizzati in condizioni statiche, misurando la temperatura critica, il parametro di gap, i fattori di merito e la frazione di induttanza cinetica per ogni geometria e materiale considerati. Anche il rumore è stato misurato, individuando nell'amplificatore a freddo la sua più grossa componente. Dai test con le sorgenti a raggi X è stato possibile misurare un altro importante parametro che influenza la sensibilità di un rivelatore di questo tipo: il tempo di ricombinazione delle quasi-particelle.