Silicon Photomultipliers for UHECR Observation from Space

Abstract

The origin and the underlying acceleration mechanisms of ultra high energy cosmic rays (UHECR) are one of the topics of research in astroparticle physics. To answer these questions, measurements with high statistics are needed of the extensive air showers the UHECR produce in the earth’s atmosphere. By going to space, the proposed Extreme Universe Space Observatory (EUSO) aims to detect atmospheric showers over a large area using the fluorescence method, which requires sensitive light detectors. Silicon photomultipliers (SiPM) have emerged as promising alternatives to conventional photomultiplier tubes, with various advantages such as lower weight and lower operating voltage. However, the ability of SiPM to detect light in a near-space environment has yet to be demonstrated, and the influence of the high rate of thermal noise and strong dependence on ambient temperature has to be assessed. This work is divided into two parts. First, the temperature dependence of the SiPM gain is studied with an experimental setup. A novel algorithm is presented to measure the SiPM gain in real-time, which allows the stabilization of the gain without the need for external temperature measurements. In the second part, data of a prototype SiPM camera, which was flown on a EUSO super pressure balloon pathfinder in the spring of 2017, were analysed. This includes a statistical analysis of the background for UHECR search, both from thermal detector noise and from physical UV background in the atmosphere. Furthermore, transient events were identified, which hint at moving clouds. In the end, a brief comparison between the SiPM prototype and the main camera using photomultiplier tubes is shown.

Der Ursprung hochenergetischer kosmischer Strahlung und die zugrunde liegenden Beschleunigungsmechanismen sind Bestandteil aktueller Forschung in der Astroteilchen-Physik. Um diesen Fragen auf den Grund zu gehen, muss eine große Anzahl von Teilchenschauern gemessen werden, die beim Eindringen kosmischer Strahlung in die Atmosphäre enstehen. Die Idee des Extreme Universe Space Observatory (EUSO) ist deshalb, die Atmosphäre aus dem Weltall zu beobachten, um auf einer großen Fläche Teilchenschauer und deren Fluoreszenzlicht aufzuzeichnen. Dies erfordert empfindliche Lichtdetektoren. Neben den herkömmlich benutzten Photomultiplier-Tubes sind Silizum-Photomultiplier (SiPM) eine vielversprechende Alternative, da sie keine Hochspannung benötigen und zudem leichter sind. Derzeit gibt es noch keine experimentellen Erfahrungen mit SiPM im Weltall, insbesondere im Hinblick auf die hohe thermische Dunkelrate und starke Temperaturempfindlichkeit der Detektoren. Die vorliegende Arbeit besteht aus zwei Teilen: Im ersten Teil wird mithilfe eines experimentellen Aufbaus der Einfluss der Temperatur auf die Verstärkung von SiPM untersucht. Dazu wird ein Algorithmus zur Echtzeitmessung der Verstärkung entwickelt, der es erlaubt die Verstärkung ohne externe Temperaturmessung zu stabilisieren. Im zweiten Teil werden Daten einer SiPM- Prototyp-Kamera analysiert, die während eines EUSO-Ballonflugs im Frühling 2017 aufgenommen wurden. Eine statistische Auswertung der Daten ergibt eine Abschätzung des Untergrundes für die Messung kosmischer Strahlung, sowohl durch thermisches Rauschen im Detektor als auch durch den physikalischen UV-Hintergrund der Atmosphäre. Außerdem werden zeitlich veränderliche Signale identifiziert, die zum Beispiel durch Wolken verursacht werden können. Zum Schluss wird ein Vergleich der SiPM-Prototyp-Kamera mit der Hauptkamera des Ballons gezeigt, bei der herkömmliche Photomultiplier-Tubes benutzt wurden.