Das MainzTPC-Experiment ist ein Forschungs- und Entwicklungsprojekt, das sich der Untersuchung von Szintillations- und Ionisationsprozessen in flüssigem Xenon widmet, die durch niederenergetische elektronische und nukleare Rückstöße induziert werden. Darüber hinaus ist die Kammer für eine zukünftige Messung des hypothetischen Migdal-Effekts in Xenon ausgelegt. Der Aufbau besteht aus einer xenongefüllten zwei Phasen Spurendriftkammer oder Zeitprojektionskammer (Englisch: Time Projection Chamber, daher die Abkürzung TPC), der MainzTPC, zusammen mit ihrem umgebenden Kryosystem und einem Gasspeicher- und Reinigungssystem. Zum Aufbau gehört weiterhin ein Kollimator und einen Drehtisch für einen Germaniumdetektor, sowie spezielle Software und Elektronik. Die Software umfasst ein Slow-Control-System zur Überwachung des Zustands der TPC (z.B. Xenontemperatur und Druck) und ein Datenerfassungssystem zur Aufzeichnung von Messdaten.
Die MainzTPC wurde für den Einsatz als primäres Target in Compton- und Neutronenstreuexperimenten optimiert, um Rückstoßenergien in flüssigem Xenon bis hinunter zu 1 keV zu messen. Um die Mehrfachstreuung einfallender Gammastrahlen und Neutronen zu minimieren, wurde eine kleine Spurendriftkammer konstruiert. Zusätzlich wurde die Menge an passivem Material (z. B. der Feldkäfig), welches das aktive Volumen (flüssiges Xenon) umgibt, minimiert, um Energieverluste zu reduzieren.
Diese Überlegungen führten zu dem in der obigen Abbildung dargestellen Design, das sich von den wesentlich größeren (aber der Funktionsweise nach ähnlichen) Spurendriftkammen wie z. B. der TPC von XENONnT unterscheidet. (Eine kurze Einführung in XENONnT und die zwei Phasen Zeitprojektionskammern finden Sie hier.) Anstelle eines Arrays aus mehreren Photoelektronenvervielfacher (oder: Photomultipliern) an der Ober- und Unterseite der TPC verwendet die MainzTPC jeweils einen einzelnen monolithischen Photomultiplier mit 2 Zoll (ca. 5 cm) Durchmesser auf jeder Seite des aktiven Volumens. Dieser Ansatz maximiert die Lichterfassung, indem er nicht-lichtempfindliche Bereiche vermeidet; er liefert jedoch keine Informationen für die XY-Positionsrekonstruktion. Um dies zu kompensieren, wurden acht zusätzliche Photosensoren, sogenannte Avalanche-Photodioden, entlang der Kanten der achteckigen Haltestruktur platziert, die den oberen Photomultiplier umgibt.
Aufgrund von Inkonsistenzen in der Verstärkung der Avalanche-Photodioden erwies sich eine zuverlässige XY-Positionsrekonstruktion als schwierig. Daher wird die MainzTPC derzeit umgestaltet, um die obere Anordnung aus Photomultiplier und Avalanche-Photodioden durch ein Array von Silizium-Photomultipliern (SiPMs) zu ersetzen, um die Positionsauflösung in X und y zu verbessern. Um eine präzise Positionsrekonstruktion sicherzustellen, die für eine Messung des Migdal-Effekts entscheidend ist, muss die Detektorgeometrie optimiert werden, insbesondere die Geometrie des SiPM-Arrays und des zugehörigen PTFE-Halters.
Zu diesem Zweck wird eine Geant4-basierte Simulation entwickelt, um die Wechselwirkungen von niederenergetischen Neutronen mit flüssigem Xenon zu modellieren, die Quantenausbeute der S1- und S2-Signale zu berechnen und die optische Ausbreitung dieser Photonen bis zu ihrem endgültigen Auslesen zu simulieren.
Weiterhin gab es bei vorherigen Messungen mit der MainzTPC Instabilitäten des Flüssigkeitsstandes der TPC, deren Ursache nicht geklärt werden konnte. Um diesen Instabilitäten auf den Grund zu gehen, wurde die Flüssigikeit-Gas-Grenzfläche des Xenons im Kryostaten mit handelsüblichen Kameras beobachtet. Basierend auf diesen Beobachtungen sind Verbesserungen an den Füllstandsmessern und dem Füllstandsregelsystem geplant.
