Electrode Realisation and SiPM Characterisation for Dark Matter Search with XENONnT and XLZD

Trotz überzeugender Hinweise aus kosmologischen und astrophysikalischen Beobachtungen auf die Existenz von Dunkler Materie ist ihre fundamentale Natur bis heute unbekannt. Xenonbasierte Zweiphasen-Driftkammern (engl. TPCs) werden in Experimenten zur direkten suche nach einem der am häufigsten untersuchten Kandidaten für Dunkle Materie, den schwach wechselwirkenden massiven Teilchen (engl. WIMPs), eingesetzt. Aufgrund der extrem niedrigen erwarteten Wechselwirkungsraten von WIMPs mit gewöhnlicher Materie erfordern solche Experimente eine außergewöhnlich hohe Sensitivität sowie ein extrem niedriges Untergrundniveau. ... mehrBeispiele hierfür sind das derzeit in Betrieb befindliche Experiment XENONnT sowie das vorgeschlagene Experiment der nächsten Generation, das XLZD-Projekt.

Eine zentrale Komponente von Zweiphasenxenon-TPCs ist die elektrische Feldkonfiguration im Detektor sowie die Elektroden, mit denen dieses Feld erzeugt wird, da sie die Detektorleistung maßgeblich beeinflussen. Diese Dissertation präsentiert Beiträge zur Auslegung, Optimierung, Qualitätssicherung und Konstruktion der Upgrade-Elektroden von XENONnT. Zur Unterstützung der Bewertung der Funktionsfähigkeit der Elektroden und der daraus resultierenden elektrischen Felder wurde ein elektrostatisches Feldsimulationsframework auf Basis der Randelementmethode (engl. BEM) implementiert und in dieser Arbeit beschrieben. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Realisierung der Parallel-Draht-Anode sowie der hexagonalen geätzten Gitterkathode mit einem Durchmesser von $\approx$ 1, 4 m, die im Upgrade des XENONnT eingesetzt wurden. Besonderer Fokus wurde auf die Verbesserung der mechanischen Stabilität und der Hochspannungsfestigkeit dieser Elektroden gelegt, gestützt durch umfangreiche Tests und den Einsatz komplementärer Methoden. Die im Zuge des Upgrades gewonnenen Erfahrungen werden zusammengefasst und zur Ableitung von Empfehlungen für das Elektrodendesign mit einem Durchmesser von $\approx$ 3 m im XLZD-Projekt genutzt. Darüber hinaus wurde die Machbarkeit des Parallel-Draht-Elektrodenkonzepts im für XLZD erforderlichen 3-Meter-Maßstab untersucht.

Neben den Elektroden stellen Photosensoren eine weitere Schlüsselkomponente dieser Detektoren dar, da sie das in flüssigem Xenon erzeugte Szintillations- und Ionisationslicht registrieren. Diese Arbeit umfasst zudem Beiträge zur Untersuchung von Photosensoren, insbesondere von silicon photomultipliers (SiPMs), in Flüssigxenon für Experimente der nächsten Generation. Die Messungen wurden mit dem NUXE-3-Detektor an der University of California, San Diego, durchgeführt, wobei ein Array aus 96 Hamamatsu-VUV4-SiPMs verwendet wurde, um die Machbarkeit eines neuartigen TPC-Designs zu evaluieren. Alle SiPMs im NUXE-3-Detektor wurden im Rahmen dieser Arbeit erfolgreich in Betrieb genommen und betrieben, wobei die gemessenen Werte der Signalverstärkung mit den der Literaturwerten übereinstimmen.

Despite compelling evidence from cosmological and astrophysical observations for the existence of dark matter, its fundamental nature remains unknown. Dual-phase xenon time projection chambers (TPCs) are employed in direct detection experiments
to search for one of the most popular dark matter candidates — weakly interactive massive particles (WIMPs). Owing to the extremely low interaction rates expected for WIMPs with ordinary matter, such experiments require exceptional sensitivity and
ultra-low background. Examples include the currently operating XENONnT experiment and the proposed next-generation experiment, the XLZD project.
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A key component of dual-phase xenon TPCs is the electric-field configuration in the detector and the electrodes used to generate it, which play a critical role in detector performance. This thesis presents contributions to the design, optimisation, quality control, and construction of the XENONnT upgrade electrodes. To support the evaluation of electrode performance and the resulting electric fields, an electrostatic field simulation framework based on the boundary element method (BEM) was implemented and is described herein.

This work focuses primarily on the realisation of the parallel-wire anode and the hexagonal etched-mesh cathode used in the XENONnT upgrade, both with a diameter of approximately 1.4 m. Emphasis was placed on improving the mechanical stability
and high-voltage performance of these electrodes through extensive testing and the application of complementary techniques. The experience gained from the XENONnT upgrade is summarised and used to derive recommendations for electrode design in
the XLZD project, which targets electrodes with diameters of approximately 3 m. In addition, the feasibility of the parallel-wire electrode concept at the 3-meter scale required for XLZD was explored.

In addition to electrodes, photosensors are a key component of these detectors, as they record the light from the scintillation and ionisation signals produced in liquid xenon. This thesis also includes contributions to the testing of photosensors, specifically silicon photomultipliers (SiPMs), in liquid xenon for future-generation experiments. Measurements were performed with the NUXE-3 detector at the University of California, San Diego, using an array of 96 Hamamatsu VUV4 SiPMs to evaluate the feasibility of a novel TPC design. All SiPMs in the NUXE-3 detector were successfully commissioned and operated within this work, with measured photon gains consistent with values reported in the literature.