Development of a fiber tracker for satellite-borne astroparticle physics experiments

Cosmic rays are high-energy particles originating from outer space that strike Earth’s atmosphere. Produced by extremely energetic phenomena throughout the Universe, they serve as unique probes for understanding the physics behind the processes associated with their emission. In recent decades, significant breakthroughs have been achieved through various satellite-borne experiments. However, many cosmic phenomena remain only partially understood, highlighting the need for new satellite-based detectors. The NUSES space mission is a future satellite experiment dedicated to studying cosmic rays. This thesis focuses on the development and performance evaluation of a tracker detector based on scintillating fibers read out by Silicon Photomultipliers (SiPM) for the Zir`e experiment, one of the instruments onboard NUSES. The fiber tracker comprises three X-Y modules, each made of two layers of scintillating fibers arranged orthogonally in two planes. A particle passing through the tracker interacts with the fiber material, depositing energy that produces light through the scintillation process. This light is collected at both ends of the impacted fiber by a SiPM array. Scintillating fiber technology offers advantages in terms of low material budget and scalability, making it a promising candidate for future space-borne detectors. At the beginning of this work, a Geant4 simulation framework was developed to test the detector’s performance and optimize the tracker design with respect to fiber diameter and SiPM array strip pitch. After validating the simulation, several prototype modules were constructed and tested with high-energy particle beams at CERN Proton Synchrotron. Based on beam test results, the first Ziré prototype, called ”Zirettino,” was assembled and tested. To verify that the vibrations experienced by the detectors during launch would not cause damage that could compromise the mission, a structural model of NUSES was built and subjected to vibration stress testing. Functionality checks were also conducted before and after these vibration tests. The post-test results showed no inefficiencies compared to the pre-test results, confirming that the tracker was unaffected by any damage from the vibration testing. These findings demonstrate that the designed fiber tracker is a promising solution for the Ziré experiment.

I raggi cosmici sono particelle ad alta energia che provengono dall' Universo e colpiscono l’atmosfera terrestre. Essi sono composti principalmente da protoni (circa il 90%), mentre il resto è costituito da nuclei di elio (particelle alfa) e una piccola percentuale di elementi più pesanti ed elettroni. La radiazione cosmica comprende anche una frazione di raggi gamma e di neutrini. Sono prodotti da fenomeni estremamente energetici nell'Universo e rappresentano uno strumento fondamentale per comprendere la fisica dietro i processi associati alla loro emissione. I raggi cosmici carichi di alta energia che colpiscono l’atmosfera terrestre producono cascate costituite da diverse particelle secondarie (raggi cosmici secondari) che possono raggiungere il livello del mare. I secondari possono essere misurate tramite rilevatori a terra. D'altra parte, i raggi cosmici a bassa energia possono essere studiati direttamente mediante osservatori spaziali. Molti esperimenti su satellite sono attualmente in funzione come Fermi, AMS, DAMPE. Nel corso degli ultimi decenni, questi esperimenti hanno raggiunto risultati significativi. Molti dei fenomeni ad alta energia rimangono tuttavia solo parzialmente compresi, evidenziando la necessità di nuovi esperimenti su satellite. I progressi ottenuti negli ultimi anni nello sviluppo di nuove tecnologie per rilevatori, permettono di incrementare sensibilità e risoluzione consentendo il rilevamento di segnali più deboli provenienti da fonti distanti. La missione spaziale NUSES sarà un esperimento su satellite dedicato allo studio di raggi cosmici. Questa tesi si concentra sullo sviluppo e sulla valutazione delle prestazioni di un tracciatore di particelle cariche basato su fibre scintillanti lette da fotomoltiplicatori al silicio (SiPM) per l'esperimento Ziré, uno degli strumenti a bordo di NUSES. . Il tracciatore a fibre comprende tre moduli X-Y, ciascuno costituito da due strati di fibre scintillanti disposti ortogonalmente su due piani. Una particella che passa attraverso il tracciatore interagisce con il materiale della fibra, depositando energia che produce luce attraverso il processo di scintillazione. Questa luce viene raccolta da entrambe le estremità delle fibre colpite mediante un array SiPM. L'utilizzo di fibre scintillanti accoppiate a SiPM offre il vantaggio di avere un ridotto material budget ridotto, un'elevata scalabilità ed un ridotto power consumption rendendola un candidato ideale per applicazioni spaziali. All'inizio di questo lavoro, è stato sviluppato un framework di simulazione Geant4 per testare le prestazioni del rilevatore e ottimizzare la progettazione del tracker rispetto al diametro della fibra e al passo della dell'array di SiPM. Dopo aver validato il modello tramite simulazione, sono stati costruiti e testati diversi prototipi con fasci di particelle ad alta energia al CERN Proton Synchrotron. Sulla base dei risultati dei test su fascio, è stato assemblato e testato il primo prototipo di Ziré, denominato "Zirettino". . Per verificare che le vibrazioni subite dai rilevatori durante il lancio non possono causare danni che in grado di compromettere la missione, è stato costruito un modello strutturale di NUSES al fine di sottoporlo a test di stress da vibrazione. Sono stati inoltre condotti functionality check prima e dopo questi test di vibrazione. I risultati dei test post-vibrazioni non hanno mostrato inefficienze rispetto ai risultati pre-vibrazioni, confermando che il tracciatore non è ha subito alcun danno in seguito ai test vibrazionali. Questi risultati dimostrano la validità del tracciatore a fibre progettato per applicazioni su satellite.