SiPM-matrix readout of two-phase argon detectors using electroluminescence in the visible and near infrared range
Articolo
Data di Pubblicazione:
2021
Citazione:
SiPM-matrix readout of two-phase argon detectors using electroluminescence in the visible and near infrared range / Aalseth, The DarkSide collaboration: 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.; Di Eusanio, F.; 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.;
Abstract:
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.
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.
Tipologia CRIS:
1.1 Articolo in rivista
Keywords:
SCINTILLATION YIELD; AVALANCHE DETECTOR; LIQUID ARGON; PERFORMANCE; IONIZATION
Elenco autori:
Aalseth, The DarkSide collaboration: 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.; Di Eusanio, F.; 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.; Th
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