Sviluppo e test dell'elettronica di front-end per i fototubi a grande dimensione dell'esperimento JUNO

One of the many challenges neutrino physics is facing is the neutrino's mass hierarchy determination. The Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) is a new generation Liquid Scintillator (LS) detector, determined on answering this question by detecting reactor electron anti-neutrinos generated from nuclear power plants at a medium baseline, around 50 km, featuring an unprecedent energy resolution of 3% @ 1 MeV, thanks to a 20 kton of LAB LS surrounded by about 18'000 20 inches Photo Multiplier Tubes (PMT), all immersed in a water pool about 700 m underground. The thesis introduces the physics of neutrinos flavor oscillation, as vacuum oscillations are exploited by JUNO to tackle the neutrinos mass hierarchy problem. Neutrino interactions with the JUNO detector are then explained, focusing on the inverse beta decay reaction for reactor anti-neutrino detection. The correlated background together with the different neutrino's sources for JUNO and its broad physics program are further described. Afterwards, the front-end electronics to achieve JUNO's demanding requirements are investigated. An energy resolution of 0.1 photoelectron and a 16 ns window timing synchronization are just some of the necessary specifications to reach the challenging target. Hence, the concept of the Global Control Unit (GCU) has been introduced: a custom and low power hardware platform, developed by INFN-Padova/University of Padova, with intelligence on board, able to perform several different tasks such as selective readout and transmission, placed very close to the PMTs to avoid any degradation of the signals caused by long cables. The intelligence is provided by a Field Programmable Gate Array (FPGA), which is an integrated circuit, configurable after manufacturing. After a description of the board, its FPGA configuration (commonly called firmware) implementation and its characterization, the GCUs functionalities have been tested on a small JUNO mock-up LS detector featuring 48 PMTs, located at the INFN National Laboratories of Legnaro and designed by the Padova JUNO group. After a brief description of the apparatus, the results obtained using the JUNO readout electronics are shown. The realization of such detector has been crucial in order to test the electronics on a real LS detector and be prepared for its final deployment in JUNO.

Una delle grandi sfide riguardanti la fisica del neutrino riguarda l'identificazione della sua gerarchia di massa. Il Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) e' un rivelatore a scintillatore liquido di nuova generazione, determinato a trovare una risposta a questa questione ancora irrisolta rilevando anti-neutrini elettronici da reattore, generati da centrali nucleari poste ad una distanza di circa 50 km, con una risoluzione energetica senza precedenti del 3% @ 1 MeV, grazie ad una immensa massa bersaglio di 20 mila tonnellate di liquido scintillatore, attorniato da circa 18'000 tubi fotomoltiplicatori (PMT) di grandi dimensioni, il tutto immerso in una piscina d'acqua a circa 700 metri di profondita'. La tesi introduce la fisica riguardante l'oscillazione del neutrino in vuoto, fenomeno sfruttato da JUNO per studiare il problema della gerarchia di massa. Successivamente vengono introdotte le principali interazioni del neutrino con il rivelatore, incentrandosi sulla reazione di inverse beta decay per la rilevazione di anti-neutrini elettronici. In questa sezione vengono spiegate anche le differenti sorgenti di neutrini che l'esperimento JUNO rilevera' e il segnale di fondo atteso, oltre al vasto programma di fisica del neutrino di JUNO verra' descritto. Successivamente verra' descritta l'elettronica di front-end. Una risoluzione di 0.1 fotoelettroni e una finestra di sincronizzazione di 16 ns sono solo alcune delle caratteristiche necessarie a raggiungere i requisiti di JUNO. Da qui nasce il concetto della Global Control Unit (GCU): una scheda custom a bassa potenza, sviluppata da Universita' e INFN di Padova, capace di svolgere differenti funzioni, dalla trasmissione di dati alla loro analisi, grazie all'intelligenza garantita da un Field Programmable Gate Array (FPGA), un circuito integrato configurabile dopo produzione, presente su scheda. La GCU verra' inoltre posizionata molto vicina ai PMT, sott'acqua, per evitare qualsiasi possibile degradazione del segnale causato da una grande lunghezza dei cavi. Dopo la descrizione della scheda, la configurazione della sua FPGA (chiamato comunemente firmware) e la sua caratterizzazione, le funzionalita' della GCU vengono testate su di un piccolo rivelatore a scintillatore liquido a modello JUNO, con installati 48 PMT. Il rivelatore si trova ai Laboratori Nazionali di Lgnaro (INFN-LNL) ed e' stato progettato da Universita'/INFN Padova. Dopo una breve descrizione dell'apparato, vengono mostrati i risultati ottenuti utilizzando l'elettronica di readout di JUNO. La realizzazione di questo rivelatore e' stata cruciale, in quanto ha permesso di testare l'elettronica di JUNO su di un vero setup multicanale, acquisendo esperienza chiave per poi la successiva installazione sul rivelatore finale.