Dottorato in FISICA

Titolo della tesi: The demonstrator of the BULLKID detector for dark matter and neutrinos

Uno dei problemi irrisolti della fisica delle particelle in questo secolo è rappresentato dalla materia oscura. Postulata quasi un secolo fa, l'esistenza della materia oscura è supportata da numerose osservazioni astrofisiche e cosmologiche, al punto che è disponibile una misurazione precisa della sua abbondanza. Negli ultimi decenni sono stati progettati e condotti molti esperimenti per tentare di caratterizzare la materia oscura, sia tramite rilevamento diretto o indiretto, sia producendo la materia oscura nei collisori. In particolare, molti esperimenti incentrati sul rilevamento diretto mirano a rivelare la presenza di candidati alla materia oscura come le particelle massicce a interazione debole (WIMP) misurando il rinculo nucleare che segue l'urto elastico WIMP-nucleone. Poiché molti esperimenti progettati per rilevare WIMP di massa superiore a 10 GeV non hanno trovato prove positive, la comunità scientifica sta anche cercando di sondare candidati alla materia oscura più leggeri aumentando la sensibilità alle energie di rinculo più basse, con molte collaborazioni che hanno scelto di utilizzare sensori criogenici a bassa soglia. Grazie alla loro eccellente risoluzione, i sensori criogenici a stato solido per particelle trovano applicazione anche nella ricerca della misurazione precisa dello scattering elastico coerente neutrino-nucleo (CEνNS). Questo processo l'interazione elastica di un neutrino a bassa energia con un nucleo bersaglio mediata dallo scambio di una corrente neutra e può essere rilevato osservando l'energia di rinculo del nucleo bersaglio, in modo simile ai WIMP. Il processo, osservato per la prima volta nel 2017 dalla collaborazione COHERENT, è di particolare interesse sia come test per i parametri del modello standard sia per applicazioni civili come il monitoraggio a distanza delle scorie nucleari: per questo sono necessarie misurazioni più precise della sezione d'urto. Il tema centrale di questa tesi è la progettazione, lo sviluppo e la caratterizzazione di BULLKID (BULky and Low-Threshold Kinetic Inductance Detectors), un rilevatore criogenico e altamente scalabile di rinculi nucleari per applicazioni a bassa soglia quali il rilevamento diretto di WIMP e l'osservazione di antineutrini di reattori CEνNS. Il rilevatore è un array di assorbitori in silicio associati a rilevatori di induttanza cinetica multiplexati (KID), il cui principio di funzionamento consiste nel rilevare i fononi atermici prodotti nel cristallo dalle interazioni delle particelle. In questa tesi discutiamo la progettazione e il funzionamento di un dimostratore del rilevatore, progettato per povare la fattibilità di ottenere una scalabilità di massa combinando molti array identici impilati uno sopra l'altro. Nel capitolo 1 vengono discussi i candidati alla materia oscura e l'interazione dei neutrini che BULLKID è progettato per rivelare. Nel capitolo 2 vengono introdotti i fondamenti della superconduttività e i principi di funzionamento dei KID, mentre il capitolo 3 descrive il design dell'array BULLKID, il suo principio di funzionamento e l'analisi dei dati che ha portato alla caratterizzazione del prototipo del dispositivo. Le prestazioni dell' array sono valutate in termini di risoluzione energetica, dimostrando l'acquisizione di dati di fondo in superficie fino a una soglia di analisi di 160 eV. Nel capitolo 4 viene esplorata l'espansione dell'array da un singolo dispositivo a una pila verticale di unità identiche, con la fabbricazione e il funzionamento di un primo dimostratore costituito da 3 wafer. Infine, nel capitolo 5 si discute il processo di fabbricazione dei rilevatori di fononi, nonché l'ulteriore ottimizzazione dei sensori, come la modifica del loro design per migliorare ulteriormente la risoluzione energetica, il ridimensionamento dell'array da wafer da 3 pollici (76,2 mm) a wafer da 100 mm e il trasferimento della tecnologia BULLKID su substrato di germanio per assemblare potenzialmente sensore multi-target.