Hardware studies, in-situ prototype calibration and data analysis of the novel multi-PMT digital optical module for the KM3NeT neutrino telescope

The KM3NeT neutrino telescope is currently being built in the Mediterranean Sea. It will, upon com- pletion, be the first cubic-kilometre-size neutrino telescope in the northern hemisphere. Although the recent discovery of a high-energy cosmic neutrino flux by the IceCube detector was a major breakthrough in the field of neutrino astronomy, the sources of cosmic neutrinos remain unknown. The KM3NeT/ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) detector will help to shed light on the question of the origins of high-energy cosmic neutrinos by complementing the IceCube telescope and expanding the field of view into the direction of the Galactic Centre. In addition, open questions in particle physics like fundamental neutrino properties and neutrino oscillations are tackled by the KM3NeT/ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) detector. Both sub-detectors consist of a three-dimensional grid of optical sensors, so-called digital op- tical modules (DOM), which are deployed at different sites in a depth of up to 3500 m. They are designed to measure the Cherenkov radiation of secondary charged particles produced in interac- tions of neutrinos with nuclei in the water. While the optical sensors of existing neutrino telescopes house only one big photomultiplier tube (PMT), the KM3NeT detector is the first to use a novel type of DOMs housing 31 smaller PMTs. The so-called multi-PMT DOM has crucial advantages com- pared to conventional optical modules, of which the most important are: a three times larger overall photocathode area; enhanced angular acceptance; intrinsic directional sensitivity; improved photon counting; and improved capability of background suppression. The focus of this thesis is on the characterisation and selection of optical components for the ap- plication in the novel multi-PMT DOM as well as the calibration and in-situ data analysis of prototype DOMs. Specification and characterisation of crucial PMT parameters guarantee high performance and stable operation of the DOMs. By using auxiliary optical devices like reflector rings surrounding the PMTs, the sensitivity of the DOMs has been increased. Since in KM3NeT all data is sent to shore, special electronic devices were developed to transform the PMT signals into hit times and so-called time over thresholds (ToT), significantly reducing the amount of data to be transferred and stored. The determination of the relation between signal charge and ToT is part of this work, enabling the conservation of the information of the signal charge in spite of the significant data reduction. A measurement of the angular acceptance of a fully integrated DOM shows good agree- ment with Monte Carlo simulations, confirming the superior performance of the multi-PMT DOM compared to conventional single-PMT DOMs. The analysis of in-situ prototype data verifies the capability of self-calibration of single DOMs. In addition, it is shown that by using high multiplicity coincidences, single DOMs are able to identify atmospheric muons and their directional distribution. With the help of radioactive decays of the potassium 40 isotope ( 40 K) in the sea water, the time calibration between PMTs in a DOM can be performed in situ. An accuracy of better than 1 ns is achieved. Furthermore, the efficiencies of the PMTs are determined with such a high precision that even small variations in the quality of the glass spheres surrounding the DOMs can be identified.Das KM3NeT-Neutrino-Teleskop befindet sich in der Aufbauphase im Mittelmeer. Mit der Fer- tigstellung wird es das erste kubikkilometer-große Neutrino-Teleskop der nördlichen Hemisphäre sein. Obwohl die kürzlich vom IceCube-Detektor entdeckten, hochenergetischen kosmischen Neu- trinos ein großer Durchbruch für die Neutrinoastronomie waren, bleiben die Quellen dieser Neu- trinos unbekannt. Durch die Ergänzung des IceCube-Neutrino-Teleskops und die Erweiterung des Sichtfeldes in Richtung des Galaktischen Zentrums wird der KM3NeT/ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss)-Detektor in Zukunft dabei helfen, die offenen Fragen über die Quellen der höchstenergetischen kosmischen Neutrinos zu beantworten. Zusätzlich wird der KM3NeT/ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss)-Detektor offene Fragen der Teil- chenphysik, insbesondere zu fundamentalen Neutrinoeigenschaften und zur Neutrinooszillation angehen. Beide Detektoren bestehen aus einem dreidimensionalen Raster von optischen Sensoren, so- genannten digitalen optischen Modulen (DOM), die an verschiedenen Standorten in einer Tiefe von bis zu 3500 m aufgebaut werden. Sie sind speziell konzipiert, um die Cherenkov-Strahlung von geladenen sekundären Teilchen, die in Wechselwirkungen von Neutrinos mit Atomkernen im Wasser entstehen, zu messen. Während optische Module von existierenden Neutrino-Teleskopen mit nur einem großen Photosensor (Photomultiplier-Röhre, PMT) ausgestattet sind, werden für den KM3NeT-Detektor erstmals neuartige Module mit 31 PMTs eingesetzt. Das sogenannte multi-PMT DOM hat entscheidende Vorteile gegenüber den konventionellen optischen Modulen. Die wichtig- sten Vorteile sind: eine insgesamt dreifach größere Photokathodenfläche; vergrößerte Winkelakzep- tanz; intrinsische Richtungssensitivität; bessere Abschätzung der Zahl gemessener Photonen; und bessere Untergrundunterdrückung. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Charakterisierung und Auswahl von optischen Kom- ponenten für das neuartige multi-PMT DOM und auf der Inbetriebnahme, Datenanalyse und Kalib- rierung von Prototypen. Die Vorgabe von PMT-Qualitätsparametern sowie deren Messung im Labor garantieren hohe Leistung und stabile Operation der DOMs. Durch die zusätzliche Benutzung von weiteren optischen Instrumenten wie Reflektorringen wird die Sensitivität erhöht. Da im KM3NeT- Experiment alle Daten zur Küste geschickt werden, wurden spezielle elektronische Schaltungen en- twickelt, die die analogen PMT-Signale in Startzeiten und Zeiten, in denen sich das Signal über einer bestimmten Schwelle befindet (ToT), umwandeln. Dadurch wird die Datenmenge, die zur Küste übertragen und dort gespeichert werden muss, deutlich verkleinert. Die Bestimmung des Zusam- menhangs zwischen der Ladung des PMT-Signals und der ToT ist Teil dieser Arbeit und ermöglicht die Erhaltung der Information über die Ladung des Signals trotz signifikanter Datenreduktion. Die Winkelakzeptanzmessung eines vollständig zusammengebauten DOMs zeigt eine gute Überein- stimmung mit Monte-Carlo-Simulationen und bestätigt die überlegene Sensitivität des multi-PMT DOMs im Vergleich zu konventionellen DOMs, die mit nur einem einzelnen PMT bestückt sind. Die Analyse von In-Situ-Prototypdaten bestätigt die Fähigkeit der Selbstkalibrierung der DOMs. Zusätz- lich wird gezeigt, dass unter Benutzung von koinzidenten Signalen mit hoher Multiplizität sogar einzelne DOMs dazu in der Lage sind, atmosphärische Myonen und deren Richtungsverteilung zu messen. Mit Hilfe von Zerfällen des natürlich im Salzwasser vorkommenden Kalium-40-Isotops kann die Zeitkalibrierung zwischen PMTs in einem DOM in situ durchgeführt und eine Präzision von besser als 1 ns erreicht werden. Darüber hinaus können die relativen Effizienzen der PMTs mit einer Genauigkeit bestimmt werden, mit der sogar kleine Abweichungen in der Qualität der Glaskugeln, die die DOMs umgeben, erkannt werden können

A multi-PMT Optical Module for the IceCube Upgrade

Following the first observation of an astrophysical high-energy neutrino flux with the IceCubeNeutrino Observatory in 2013 and the identification of a first cosmic high-energy neutrinosource in 2017, the detector will be upgraded with about 700 new advanced optical sensors.This will expand IceCube’s capabilities both at low and high neutrino energies. A large fractionof the upgrade modules will be multi-PMT Digital Optical Modules, mDOMs, each featuring24 three-inch class photomultiplier tubes (PMTs) pointing uniformly in all directions, therebyproviding an almost homogeneous angular coverage. The signal from each PMT is digitizedindividually, providing directional information for the incident photons. Together, the 24 PMTsprovide an effective photosensitive area more than twice than that of the current IceCube opticalmodule. The main mDOM design challenges arise from the constraints on the module size andpower needed for the 24-channel high-voltage and readout systems. This contribution presentsan mDOM design that meets these challenges and discusses the sensitivities expected from thesemodules

KM3NeT front-end and readout electronics system: hardware, firmware, and software

he KM3NeT research infrastructure being built at the bottom of the Mediterranean Sea will host water-Cherenkov telescopes for the detection of cosmic neutrinos. The neutrino telescopes will consist of large volume three-dimensional grids of optical modules to detect the Cherenkov light from charged particles produced by neutrino-induced interactions. Each optical module houses 31 3-in. photomultiplier tubes, instrumentation for calibration of the photomultiplier signal and positioning of the optical module, and all associated electronics boards. By design, the total electrical power consumption of an optical module has been capped at seven Watts. We present an overview of the front-end and readout electronics system inside the optical module, which has been designed for a 1-ns synchronization between the clocks of all optical modules in the grid during a life time of at least 20 years

KM3NeT front-end and readout electronics system: hardware, firmware, and software

The KM3NeT research infrastructure being built at the bottom of the Mediterranean Sea will host water-Cherenkov telescopes for the detection of cosmic neutrinos. The neutrino telescopes will consist of large volume three-dimensional grids of optical modules to detect the Cherenkov light from charged particles produced by neutrino-induced interactions. Each optical module houses 31 3-in. photomultiplier tubes, instrumentation for calibration of the photomultiplier signal and positioning of the optical module, and all associated electronics boards. By design, the total electrical power consumption of an optical module has been capped at seven Watts. We present an overview of the front-end and readout electronics system inside the optical module, which has been designed for a 1-ns synchronization between the clocks of all optical modules in the grid during a life time of at least 20 year