IceScint : A Scintillation Detector Array for the IceCube IceTop Enhancement = IceScint: Ein Szintillationsdetektor-Feld für die Oberflächen-Erweiterung von IceCube

Die IceCube Kollaboration wird das Oberflächenexperiment des IceCube Neutrino Observatoriums (IceTop) mit Szintillationsdetektoren (IceScint) erweitern. Diese Arbeit befasst sich mit der Forschung und Entwicklung, der Installation, der Inbetriebnahme und der Charakterisierungsphase der ersten IceScint Station. Darüber hinaus werden der naturwissenschaftliche Hintergrund, die physikalischen Möglichkeiten dieser Erweiterung und erste Luftschauer-Messungen mit IceScint diskutiert.

Ein vollständiges Array aus diesen Detektoren wird die Vetomöglichkeiten für die Suche nach hochenergetischen astrophysikalischen und kosmogenen Neutrinos von IceCube erhöhen. ... mehrZusätzlich wird es die Möglichkeiten zur Vermessung der kosmischen Strahlung im Energiebereich von 100 TeV-1 EeV erheblich verbessern. Darüber hinaus wird es als Forschungs- und Entwicklungsprogramm für ein mögliches zukünftiges großflächiges Oberflächen-Array des IceCube-Gen2 Observatoriums dienen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden 3 Prototyp-Stationen mit je 7 Szintillationsdetektoren entwickelt und gebaut, von denen eine Station im Januar 2018 am Südpol installiert wurde. Die anderen beiden Stationen sind als Testanordnung am KIT und als Kalibrierungsstation für tiefe Temperaturen am Physical Science Lab (PSL) in Madison eingesetzt.

Jeder Detektor verfügt über 1,5 m² Plastikszintillatoren mit wellenlängenschiebende Lichtleitern, die von Silicon-Photomultipliern (SiPMs) ausgelesen werden. Diese auf Festkörperphysik basierenden Photosensoren sind in der Detektionseffizienz zum Beispiel den klassischen Photomultiplierröhren ähnlich, haben aber wesentliche Vorteile, wie eine robustere Bauweise und niedrigere Betriebsspannungen. Ein Nachteil ergibt sich aus der hohen Temperaturabhängigkeit der Effizienz. Um eine stabile Verstärkung zu gewährleisten wurde eine Temperatur- und SiPM-Vorspannungs Regelschleife entwickelt, die an der IceScint Station am Südpol funktioniert und ein homogen operierendes Detektorarray gewährleistet. Ein substantielles Verständnis der SiPMs konnte durch den Vergleich des IceScint Signalverhaltens mit erweiterten Laborvergleichsuntersuchungen gewonnen werden. Ein neu entwickeltes SiPM-Auslesemodul, IceARM, moduliert und überträgt die Signalformen an die IceTAXI Datenerfassung. Das IceARM Modul wird mittlerweile auch für Outreach Experimente und Studentenpraktika verwendet.

Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die entwickelte Signalkette des IceScint-Systems (Szintillatormaterial, wellenlängenschiebende Lichtleiter, SiPM Auslese, IceARM als analoge Elektronik und IceTAXI als Datenerfassung) ein funktionierendes Konzept ist, um kosmische Luftschauer unter extremen Umweltbedingungen, wie am Südpol gegeben, zu vermessen. Der Betrieb der ersten Station am Südpol hat bewiesen, dass beispielsweise die Herkunftsrichtung einfallender Luftschauer sehr akkurat rekonstruiert werden kann.

Die installierten IceScint Stationen zeigen, dass sie die physikalischen Anforderungen einer Oberflächenerweiterung von IceTop erfüllen und der Weg für die vollständige Erweiterung einschließlich zusätzlichen Radioantennen von IceTop damit geebnet ist. Mit dieser Arbeit wurde die Grundlage geschaffen für die am Südpol geplante Installation von 32 Stationen mit je 8 IceScint Detektoren und 3 Radioantennen als neues Oberflächen-Detektorfeld des IceCube Neutrino Observatoriums.

The IceCube Collaboration will enhance the surface instrumentation of the IceCube Neutrino Observatory (IceTop) with scintillation detectors (IceScint). This thesis deals with the research and development, the deployment, the commissioning and the characterization phase of the first IceScint station. In addition, the science case, prospects of the enhancement and first air-shower measurements with IceScint will be discussed.

The planned full array out of these detectors will increase the veto capabilities for high energy astrophysical and cosmogenic neutrino search of IceCube. ... mehrIn addition, it will considerably improve the capabilities of cosmic-ray measurements in the 100 TeV - 1 EeV energy range. Furthermore, it will serve as a research and development program for a possible future large-scale surface array of the IceCube-Gen2 program. Three prototype stations with 7 scintillation detectors each have been developed within this thesis, where one of them were deployed at the South Pole in January 2018. The other stations are deployed as test array at KIT and as cold temperature cross calibration station at the Physical Science Lab (PSL) in Madison, respectively.

Each scintillation detector features 1.5 m² of plastic scintillators and wavelength-shifting fibers which are read out by Silicon Photomultipliers (SiPMs). These solid-state photosensors are similar in detection efficiency compared to classical photomultiplier tubes, but have considerable advantages like robustness and low-voltage operation. One disadvantage comes with the large temperature dependency in its operation. To ensure a stable gain, a temperature and SiPM bias voltage control loop was developed and works well at the South Pole IceScint station and ensures a uniformly performing detector array. Substantial understanding of SiPMs could be won by comparing the IceScint signal behavior with extended laboratory cross-checks. A newly developed SiPM readout module, IceARM, transfers the signal waveforms to the IceTAXI DAQ. IceARM is now also used for Outreach experiments.

In the frame of this thesis it could be shown that the developed full chain of the IceScint system (plastic scintillator, wavelength shifting fiber, SiPM readout, IceARM as analog electronic and IceTAXI as DAQ) is a working concept to be capable in measuring cosmic-ray air-shower events under extreme environmental conditions like given at the South Pole. The operation of the first station at the South Pole has proven that, e.g., the direction of incident air showers are reconstructed accurately.

The deployed scintillator stations show that it fulfills the requirements of a surface instrumentation upgrade of IceTop and paved the way for the full enhancement of IceTop including radio antennas. With this thesis, the baseline for the planned deployment of 32 stations at the South Pole, each with 8 Ic