SiPM-matrix readout of two-phase argon detectors using electroluminescence in the visible and near infrared range

Autor: F. Pietropaolo, Min-Xin Guan, S. Rescia, Federica Villa, F. Coccetti, A. Sheshukov, D. A. Semenov, Alberto Masoni, C. Savarese, F. Ameli, S. Bussino, Jocelyn Monroe, Paola Sala, Lelio Luzzi, R. Tartaglia, B. Hosseini, Chung-Yao Yang, I. Kochanek, Andrea Messina, S. Davini, A. V. Derbin, Paul H. Humble, V. Strickland, A. Franceschi, A. L. Hallin, P. Skensved, O. Smirnov, A. De Falco, C. Ripoli, E. Paoloni, B. Lehnert, E. Segreto, Laura A. Pellegrini, André Rubbia, Manuel Colocci, Aldo Ghisi, Marzio Nessi, V. Cocco, R. Graciani Diaz, Pietro Antonioli, M. G. Boulay, L. La Delfa, P. Cavalcante, V. Barbaryan, A.E. Bondar, W. Bonivento, C. Cantini, M. Lai, J. Mason, G. Fiorillo, Sara Sulis, L. P. Rignanese, T. N. Thorpe, Mariano Cadoni, T. Pollmann, E. V. Unzhakov, Q. Liqiang, Giovanni Covone, S. De Cecco, E. Scapparone, Andrea Gabrieli, Marino Simeone, C. Dionisi, N. Rossi, R. Stainforth, Mauro Marinelli, C. Regenfus, Gillian Kopp, Mauro Mariani, I. N. Machulin, G. De Guido, M. Lissia, Federico Perotti, S. S. Poudel, A. B. McDonald, G. Dellacasa, Carlo Muscas, M. Fernandez Diaz, Darren Price, George E. Froudakis, A. Oleinik, N. Canci, H. O. Back, G. De Rosa, O. Gorchakov, R. B. Vogelaar, G. K. Giovanetti, Simonetta Palmas, Marco Pallavicini, A. D. Martinez Rojas, W. Mu, V. Oleynikov, Paolo Attilio Pegoraro, F. Di Eusanio, M. Grab, An. Ianni, Rudi Lussana, G. L. Usai, Luciano Pandola, M. D. Skorokhvatov, E. Borisova, Pascal Pralavorio, F. Pazzona, M. Gromov, A. Grobov, M. M. Wojcik, G. Dolganov, S. Manecki, A. K. Alton, E. Frolov, J. Wahl, Anselmo Margotti, Xiang Xiao, I. Nikulin, Aldo Romani, Annalisa Vacca, E. Conde Vilda, O. Dadoun, V. N. Muratova, S. Cebrián, B. Bottino, M. L. Gligan, R. Milincic, J. A. Wilson, G. Zuzel, Thomas Alexander, M. D'Incecco, L. Romero, S. Murphy, C. L. Kendziora, A. Devoto, L. Di Noto, E. V. Hungerford, A. Asunskis, S. Westerdale, P. Agnes, Yanchu Wang, E. Sandford, B. Schlitzer, Stefania Moioli, C. Giganti, M. Downing, R. Santorelli, Rosario Nania, Alberto Tosi, Mario Patricio Padilla Martínez, A.V. Shchagin, A. Buzulutskov, M. Caravati, F. Raffaelli, P. Giampa, Davide Portaluppi, Fabrice Hubaut, C. J. Jillings, K. Pelczar, Cristiano Galbiati, L. Pagani, J. A. Nowak, A. Sotnikov, Y. Suvorov, M. Da Rocha Rolo, A. Ilyasov, Eric W. Hoppe, S. Abdelhakim, M. K. Daniel, J. Rode, L. Mapelli, F. Retiere, Han Wang, M. Garbini, D. De Gruttola, M. Haranczyk, R. Kugathasan, R. Bunker, Raffaele Ardito, V. Bocci, G. Di Pietro, Z. Ye, N. Funicello, A. S. Kubankin, D. Franco, A. Pocar, N. Levashko, W. Cheng, A. Mandarano, A. Caminata, V. Pesudo, F. Gabriele, Francesca Dordei, Pierre-Andre Amaudruz, A. Vishneva, F. Cossio, G. Batignani, A. Steri, M. Orsini, D. Santone, M. Ave, P. Garcia Abia, B. Celano, T. Mroz, Stefano Cavuoti, Francesco Ragusa, R. K. Haaland, A. Gendotti, Mario Giorgi, Jay W. Grate, Marcelo Braga Bueno Guerra, M. La Commara, A. M. Szelc, D. Gascon Fora, A. Castellani, S. Chashin, G. U. Lodi, Silvia Arcelli, E. Pantic, A. Tonazzo, Marco Sant, R. J. Wheadon, Maria Giuseppina Bisogni, M. Rescigno, Anton Empl, D. Cavazza, A. Navrer Agasson, R. Cereseto, M. Razeti, R. Ajaj, Nicomede Pelliccia, Xiujiang Li, S. Wu, M. Guerzoni, S. J. M. Peeters, Pasquale Arpaia, V. Nosov, J. Anstey, Craig E. Aalseth, Andrey Sokolov, Paolo Musico, Matteo Morrocchi, M. Cariello, E. Sanchez Garcia, T. Viant, A. Candela, M. Kuss, K. Kondo, S. Siddhanta, F. Edalatfar, G. Korga, M. Tuveri, A. A. Machado, C. Ghiano, B. R. Hackett, Gilda Scioli, I. J. Arnquist, C. Pellegrino, Giuseppe Longo, A. L. Renshaw, Valerio Ippolito, A. Moggi, F. Carnesecchi, L. Consiglio, Angelo Rivetti, S. Viel, Pierfranco Demontis, Andrea Alici, B. Harrop, O. Samoylov, P. Di Stefano, G. Bonfini, Piero Salatino, Richard M. Williams, G. Sobrero, M. Cadeddu, K. J. Keeter, Marco Grassi, A. Barrado Olmedo, E. Picciau, Ivone F. M. Albuquerque, S. Sanfilippo, Fausto Ortica, J. M. Cela Ruiz, C. Cicalò, T. Napolitano, P. N. Singh, Paolo Castello, S. Stracka, K. Fomenko, M. Zuffa, D. M. Asner, M. Lebois, B. Radics, L. Cifarelli, S. De Pasquale, Allen Seifert, Marisa Gulino, D. Marras, R. A. Giampaolo, J. Maricic, Michele Mascia, M. De Deo, M. Arba, S. Horikawa, I. D'Antone, S. M. Mari, A. S. Chepurnov, C. Filip, Mauro Citterio, Denis Korablev, E. Vázquez-Jáuregui, T. Miletic, Paolo Crivelli, J. Walding, G. Testera, Giuseppe Baldovino Suffritti
Přispěvatelé: Centre de Physique des Particules de Marseille (CPPM), Aix Marseille Université (AMU)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), AstroParticule et Cosmologie (APC (UMR_7164)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Observatoire de Paris, Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Paris (UP), Institut Fédératif de Recherche en Sciences et Ingénierie de la Santé (IFRESIS-ENSMSE), École des Mines de Saint-Étienne (Mines Saint-Étienne MSE), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IFR143, Aalseth, C. E., Abdelhakim, S., Agnes, P., Ajaj, R., Albuquerque, I. F. M., Alexander, T., Alici, A., Alton, A. K., Amaudruz, P., Ameli, F., Anstey, J., Antonioli, P., Arba, M., Arcelli, S., Ardito, R., Arnquist, I. J., Arpaia, P., Asner, D. M., Asunskis, A., Ave, M., Back, H. O., Barbaryan, V., Barrado Olmedo, A., Batignani, G., Bisogni, M. G., Bocci, V., Bondar, A., Bonfini, G., Bonivento, W., Borisova, E., Bottino, B., Boulay, M. G., Bunker, R., Bussino, S., Buzulutskov, A., Cadeddu, M., Cadoni, M., Caminata, A., Canci, N., Candela, A., Cantini, C., Caravati, M., Cariello, M., Carnesecchi, F., Castellani, A., Castello, P., Cavalcante, P., Cavazza, D., Cavuoti, S., Cebrian, S., Cela Ruiz, J. M., Celano, B., Cereseto, R., Chashin, S., Cheng, W., Chepurnov, A., Cicalò, C., Cifarelli, L., Citterio, M., Coccetti, F., Cocco, V., Colocci, M., Conde Vilda, E., Consiglio, L., Cossio, F., Covone, G., Crivelli, P., D’Antone, I., D’Incecco, M., Da Rocha Rolo, M. D., Dadoun, O., Daniel, M., Davini, S., De Cecco, S., De Deo, M., De Falco, A., De Gruttola, D., De Guido, G., De Rosa, G., Dellacasa, G., Demontis, P., De Pasquale, S., Derbin, A. V., Devoto, A., Eusanio, F. Di, Di Noto, L., Di Pietro, G., Di Stefano, P., Dionisi, C., Dolganov, G., Dordei, F., Downing, M., Edalatfar, F., Empl, A., Fernandez Diaz, M., Filip, C., Fiorillo, G., Fomenko, K., Franceschi, A., Franco, D., Frolov, E., Froudakis, G. E., Funicello, N., Gabriele, F., Gabrieli, A., Galbiati, C., Garbini, M., Garcia Abia, P., Gascón Fora, D., Gendotti, A., Ghiano, C., Ghisi, A., Giampa, P., Giampaolo, R. A., Giganti, C., Giorgi, M. A., Giovanetti, G. K., Gligan, M. L., Gorchakov, O., Grab, M., Graciani Diaz, R., Grassi, M., Grate, J. W., Grobov, A., Gromov, M., Guan, M., Guerra, M. B. B., Guerzoni, M., Gulino, M., Haaland, R. K., Hackett, B. R., Hallin, A., Haranczyk, M., Harrop, B., Hoppe, E. W., Horikawa, S., Hosseini, B., Hubaut, F., Humble, P., Hungerford, E. V., Ianni, An., Ilyasov, A., Ippolito, V., Jillings, C., Keeter, K., Kendziora, C. L., Kochanek, I., Kondo, K., Kopp, G., Korablev, D., Korga, G., Kubankin, A., Kugathasan, R., Kuss, M., La Commara, M., La Delfa, L., Lai, M., Lebois, M., Lehnert, B., Levashko, N., Li, X., Liqiang, Q., Lissia, M., Lodi, G. U., Longo, G., Lussana, R., Luzzi, L., Machado, A. A., Machulin, I. N., Mandarano, A., Manecki, S., Mapelli, L., Margotti, A., Mari, S. M., Mariani, M., Maricic, J., Marinelli, M., Marras, D., Martínez, M., Martinez Rojas, A. D., Mascia, M., Mason, J., Masoni, A., Mcdonald, A. B., Messina, A., Miletic, T., Milincic, R., Moggi, A., Moioli, S., Monroe, J., Morrocchi, M., Mroz, T., Mu, W., Muratova, V. N., Murphy, S., Muscas, C., Musico, P., Nania, R., Napolitano, T., Navrer Agasson, A., Nessi, M., Nikulin, I., Nosov, V., Nowak, J. A., Oleinik, A., Oleynikov, V., Orsini, M., Ortica, F., Pagani, L., Pallavicini, M., Palmas, S., Pandola, L., Pantic, E., Paoloni, E., Pazzona, F., Peeters, S., Pegoraro, P. A., Pelczar, K., Pellegrini, L. A., Pellegrino, C., Pelliccia, N., Perotti, F., Pesudo, V., Picciau, E., Pietropaolo, F., Pocar, A., Pollmann, T. R., Portaluppi, D., Poudel, S. S., Pralavorio, P., Price, D., Radics, B., Raffaelli, F., Ragusa, F., Razeti, M., Regenfus, C., Renshaw, A. L., Rescia, S., Rescigno, M., Retiere, F., Rignanese, L. P., Ripoli, C., Rivetti, A., Rode, J., Romani, A., Romero, L., Rossi, N., Rubbia, A., Sala, P., Salatino, P., Samoylov, O., Sánchez García, E., Sandford, E., Sanfilippo, S., Sant, M., Santone, D., Santorelli, R., Savarese, C., Scapparone, E., Schlitzer, B., Scioli, G., Segreto, E., Seifert, A., Semenov, D. A., Shchagin, A., Sheshukov, A., Siddhanta, S., Simeone, M., Singh, P. N., Skensved, P., Skorokhvatov, M. D., Smirnov, O., Sobrero, G., Sokolov, A., Sotnikov, A., Stainforth, R., Steri, A., Stracka, S., Strickland, V., Suffritti, G. B., Sulis, S., Suvorov, Y., Szelc, A. M., Tartaglia, R., Testera, G., Thorpe, T., Tonazzo, A., Tosi, A., Tuveri, M., Unzhakov, E. V., Usai, G., Vacca, A., Vázquez-Jáuregui, E., Viant, T., Viel, S., Villa, F., Vishneva, A., Vogelaar, R. B., Wahl, J., Walding, J. J., Wang, H., Wang, Y., Westerdale, S., Wheadon, R. J., Williams, R., Wilson, J., Wojcik, Ma. M., Wojcik, Ma., Wu, S., Xiao, X., Yang, C., Ye, Z., Zuffa, M., Zuzel, G., Institut de Physique Nucléaire d'Orsay (IPNO), Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Énergies (LPNHE (UMR_7585)), Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité), Aalseth C.E., Abdelhakim S., Agnes P., Ajaj R., Albuquerque I.F.M., Alexander T., Alici A., Alton A.K., Amaudruz P., Ameli F., Anstey J., Antonioli P., Arba M., Arcelli S., Ardito R., Arnquist I.J., Arpaia P., Asner D.M., Asunskis A., Ave M., Back H.O., Barbaryan V., Barrado Olmedo A., Batignani G., Bisogni M.G., Bocci V., Bondar A., Bonfini G., Bonivento W., Borisova E., Bottino B., Boulay M.G., Bunker R., Bussino S., Buzulutskov A., Cadeddu M., Cadoni M., Caminata A., Canci N., Candela A., Cantini C., Caravati M., Cariello M., Carnesecchi F., Castellani A., Castello P., Cavalcante P., Cavazza D., Cavuoti S., Cebrian S., Cela Ruiz J.M., Celano B., Cereseto R., Chashin S., Cheng W., Chepurnov A., Cicalo C., Cifarelli L., Citterio M., Coccetti F., Cocco V., Colocci M., Conde Vilda E., Consiglio L., Cossio F., Covone G., Crivelli P., D'Antone I., D'Incecco M., Da Rocha Rolo M.D., Dadoun O., Daniel M., Davini S., De Cecco S., De Deo M., De Falco A., De Gruttola D., De Guido G., De Rosa G., Dellacasa G., Demontis P., De Pasquale S., Derbin A.V., Devoto A., Eusanio F.D., Di Noto L., Di Pietro G., Di Stefano P., Dionisi C., Dolganov G., Dordei F., Downing M., Edalatfar F., Empl A., Fernandez Diaz M., Filip C., Fiorillo G., Fomenko K., Franceschi A., Franco D., Frolov E., Froudakis G.E., Funicello N., Gabriele F., Gabrieli A., Galbiati C., Garbini M., Garcia Abia P., Gascon Fora D., Gendotti A., Ghiano C., Ghisi A., Giampa P., Giampaolo R.A., Giganti C., Giorgi M.A., Giovanetti G.K., Gligan M.L., Gorchakov O., Grab M., Graciani Diaz R., Grassi M., Grate J.W., Grobov A., Gromov M., Guan M., Guerra M.B.B., Guerzoni M., Gulino M., Haaland R.K., Hackett B.R., Hallin A., Haranczyk M., Harrop B., Hoppe E.W., Horikawa S., Hosseini B., Hubaut F., Humble P., Hungerford E.V., Ianni A., Ilyasov A., Ippolito V., Jillings C., Keeter K., Kendziora C.L., Kochanek I., Kondo K., Kopp G., Korablev D., Korga G., Kubankin A., Kugathasan R., Kuss M., La Commara M., La Delfa L., Lai M., Lebois M., Lehnert B., Levashko N., Li X., Liqiang Q., Lissia M., Lodi G.U., Longo G., Lussana R., Luzzi L., Machado A.A., Machulin I.N., Mandarano A., Manecki S., Mapelli L., Margotti A., Mari S.M., Mariani M., Maricic J., Marinelli M., Marras D., Martinez M., Martinez Rojas A.D., Mascia M., Mason J., Masoni A., McDonald A.B., Messina A., Miletic T., Milincic R., Moggi A., Moioli S., Monroe J., Morrocchi M., Mroz T., Mu W., Muratova V.N., Murphy S., Muscas C., Musico P., Nania R., Napolitano T., Navrer Agasson A., Nessi M., Nikulin I., Nosov V., Nowak J.A., Oleinik A., Oleynikov V., Orsini M., Ortica F., Pagani L., Pallavicini M., Palmas S., Pandola L., Pantic E., Paoloni E., Pazzona F., Peeters S., Pegoraro P.A., Pelczar K., Pellegrini L.A., Pellegrino C., Pelliccia N., Perotti F., Pesudo V., Picciau E., Pietropaolo F., Pocar A., Pollmann T.R., Portaluppi D., Poudel S.S., Pralavorio P., Price D., Radics B., Raffaelli F., Ragusa F., Razeti M., Regenfus C., Renshaw A.L., Rescia S., Rescigno M., Retiere F., Rignanese L.P., Ripoli C., Rivetti A., Rode J., Romani A., Romero L., Rossi N., Rubbia A., Sala P., Salatino P., Samoylov O., Sanchez Garcia E., Sandford E., Sanfilippo S., Sant M., Santone D., Santorelli R., Savarese C., Scapparone E., Schlitzer B., Scioli G., Segreto E., Seifert A., Semenov D.A., Shchagin A., Sheshukov A., Siddhanta S., Simeone M., Singh P.N., Skensved P., Skorokhvatov M.D., Smirnov O., Sobrero G., Sokolov A., Sotnikov A., Stainforth R., Steri A., Stracka S., Strickland V., Suffritti G.B., Sulis S., Suvorov Y., Szelc A.M., Tartaglia R., Testera G., Thorpe T., Tonazzo A., Tosi A., Tuveri M., Unzhakov E.V., Usai G., Vacca A., Vazquez-Jauregui E., Viant T., Viel S., Villa F., Vishneva A., Vogelaar R.B., Wahl J., Walding J.J., Wang H., Wang Y., Westerdale S., Wheadon R.J., Williams R., Wilson J., Wojcik M.M., Wojcik M., Wu S., Xiao X., Yang C., Ye Z., Zuffa M., Zuzel G.
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2021
Předmět:
Physics - Instrumentation and Detectors
Physics and Astronomy (miscellaneous)
Physics::Instrumentation and Detectors
01 natural sciences
7. Clean energy
High Energy Physics - Experiment
High Energy Physics - Experiment (hep-ex)
darkside
cmos
[PHYS.HEXP]Physics [physics]/High Energy Physics - Experiment [hep-ex]
Detectors and Experimental Techniques
sipm
physics.ins-det
Physics
ESPALHAMENTO
Bremsstrahlung
neutrinos
Noble gas
Instrumentation and Detectors (physics.ins-det)
argon
photoluminescence
Astrophysics - Instrumentation and Methods for Astrophysics
physics
Particle Physics - Experiment
Astrophysics and Astronomy
Photomultiplier
SiPM readout two-phase argon detectors electroluminescence visible near infrared
FOS: Physical sciences
chemistry.chemical_element
lcsh:Astrophysics
physics
detector
cmos
dark matter
darkside
photoluminescence
sipm
radiation
neutrinos
argon
Electroluminescence
dark matter
Electron avalanche
Optics
Silicon photomultiplier
lcsh:QB460-466
0103 physical sciences
lcsh:Nuclear and particle physics. Atomic energy. Radioactivity
010306 general physics
Instrumentation and Methods for Astrophysics (astro-ph.IM)
Engineering (miscellaneous)
Scintillation
Argon
detector
hep-ex
010308 nuclear & particles physics
business.industry
radiation
chemistry
lcsh:QC770-798
SiPM
dual-phase TPC
Darkside-20k
business
astro-ph.IM
Zdroj: The European Physical Journal C 81 (2021), 153
The European Physical Journal C 81 (2021), 153, Springer, 2021, ⟨10.1140/epjc/s10052-020-08801-2⟩
European Physical Journal
European Physical Journal C: Particles and Fields
European Physical Journal C: Particles and Fields, 2021, ⟨10.1140/epjc/s10052-020-08801-2⟩
Zaguán. Repositorio Digital de la Universidad de Zaragoza
instname
Zaguán: Repositorio Digital de la Universidad de Zaragoza
Universidad de Zaragoza
European Physical Journal C: Particles and Fields, Vol 81, Iss 2, Pp 1-17 (2021)
Repositório Institucional da USP (Biblioteca Digital da Produção Intelectual)
Universidade de São Paulo (USP)
instacron:USP
ISSN: 1434-6044
1434-6052
Popis: Proportional electroluminescence (EL) in noble gases is used in two-phase detectors for dark matter searches to record (in the gas phase) the ionization signal induced by particle scattering in the liquid phase. The "standard" EL mechanism is considered to be due to noble gas excimer emission in the vacuum ultraviolet (VUV). In addition, there are two alternative mechanisms, producing light in the visible and near infrared (NIR) ranges. The first is due to bremsstrahlung of electrons scattered on neutral atoms ("neutral bremsstrahlung", NBrS). The second, responsible for electron avalanche scintillation in the NIR at higher electric fields, is due to transitions between excited atomic states. In this work, we have for the first time demonstrated two alternative techniques of the optical readout of two-phase argon detectors, in the visible and NIR range, using a silicon photomultiplier matrix and electroluminescence due to either neutral bremsstrahlung or avalanche scintillation. The amplitude yield and position resolution were measured for these readout techniques, which allowed to assess the detection threshold for electron and nuclear recoils in two-phase argon detectors for dark matter searches. To the best of our knowledge, this is the first practical application of the NBrS effect in detection science.
Comment: 26 pages, 22 figures, 3 tables
Databáze: OpenAIRE
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