Die WOM-Technologie für Flüssigszintillatordetektoren auf die nächste Stufe heben

Vor etwa einem Jahrzehnt wurden wellenlängenverschiebende optische Module (WOMs) als neuartige Photonendetektoren für eine großvolumige Erweiterung des IceCube-Detektors vorgeschlagen. Die Idee wurde unmittelbar darauf für den „Surrounding Background Tagger“ (SBT) des kürzlich genehmigten Experiments „Search for Hidden Particles“ (SHiP) aufgegriffen. Der SBT ist ein großflächiger Flüssigkeitsszintillationsdetektor, bei dem erstmals wellenlängenverschiebende optische Module (WOMs) als Photonendetektoren zum Einsatz kommen. Ein WOM besteht aus einem langen Rohr, das mit einem Wellenlängenwandler (WLS) beschichtet ist, der die absorbierten UV-
Photonen in den sichtbaren Bereich verschiebt. Die Sekundärphotonen werden durch Totalreflexion zum Ende des WOM-Rohrs transportiert, wo sie von einem Photonensensor erfasst werden. Im Fall von IceCube sollte der an das WOM-Rohr gekoppelte Photonensensor ein Photomultiplier (PMT) sein, während es sich im Fall von SHiP-SBT um ein Array aus 40 Silizium-Photomultiplikatoren (SiPMs) handelt. Der Einsatz von WOMs in Verbindung mit großen Flüssigszintillator-Detektoren wurde von unseren Forschungsgruppen in den letzten Jahren erfolgreich demonstriert.
Aufbauend auf diesen Arbeiten planen wir, die WOM-Technologie für Flüssigkeitsszintillatoren auf die nächste Stufe zu heben, indem wir zwei Richtungen verfolgen:
1. Wir werden ein „granulares“ WOM untersuchen, indem wir das massive WOM-Rohr durch eine kreisförmige Anordnung von WOM-Zylindern mit kleinem Durchmesser ersetzen. Diese erhöhte Granularität birgt das Potenzial, die räumliche Auflösung jedes zukünftigen großflächigen Flüssigszintillator-Detektors, der die WOM-Technologie nutzt, erheblich zu steigern. Da jedoch die von der Anordnung der WOM-Zylinder abgedeckte Fläche im Allgemeinen kleiner ist als die eines WOM-Röhrchens, muss ein optimierter Reflektor hinter den WOM-Zylindern entwickelt werden, um eine ausreichende Lichtsammeleffizienz zu gewährleisten. Ein granuläres WOM könnte zudem dazu beitragen, die Homogenität eines solchen Detektors hinsichtlich der Lichtausbeute und der Partikelankunftszeit über den Detektor hinweg weiter zu verbessern.
2. Durch die Ausstattung der Innenwände eines großvolumigen Flüssigkeitsszintillationsdetektors mit WOM-Zylindern mit kleinem Durchmesser, hinter denen großflächige Reflektoren angebracht sind, werden wir eine neuartige Technologie zur Trennung von Tscherenkow-Licht und Szintillationslicht mittels Wellenlängenfilterung untersuchen. Eine solche Trennung ist für die Neutrino-Detektion in Flüssigkeitsszintillationsdetektoren von Interesse.
Dazu müssen zwei verschiedene Sätze von WOM-Zylindern verwendet werden: ein Satz WOM-Zylinder, die mit einem WLS beschichtet sind, das hauptsächlich auf das Szintillationslichtspektrum anspricht, und ein Satz WOM-Zylinder, die hauptsächlich auf den Teil des Tscherenkow-Spektrums anspricht, der sich nicht mit dem Emissionsspektrum des Szintillators überschneidet.