Physics Letters B (Oct 2017)
Secondary scintillation yield of xenon with sub-percent levels of CO2 additive for rare-event detection
- C.A.O. Henriques,
- E.D.C. Freitas,
- C.D.R. Azevedo,
- D. González-Díaz,
- R.D.P. Mano,
- M.R. Jorge,
- L.M.P. Fernandes,
- C.M.B. Monteiro,
- J.J. Gómez-Cadenas,
- V. Álvarez,
- J.M. Benlloch-Rodríguez,
- F.I.G.M. Borges,
- A. Botas,
- S. Cárcel,
- J.V. Carríon,
- S. Cebrían,
- C.A.N. Conde,
- J. Díaz,
- M. Diesburg,
- R. Esteve,
- R. Felkai,
- P. Ferrario,
- A.L. Ferreira,
- A. Goldschmidt,
- R.M. Gutiérrez,
- J. Hauptman,
- A.I. Hernandez,
- J.A. Hernando Morata,
- V. Herrero,
- B.J.P. Jones,
- L. Labarga,
- A. Laing,
- P. Lebrun,
- I. Liubarsky,
- N. López-March,
- M. Losada,
- J. Martín-Albo,
- G. Martínez-Lema,
- A. Martínez,
- A.D. McDonald,
- F. Monrabal,
- F.J. Mora,
- L.M. Moutinho,
- J. Muñoz Vidal,
- M. Musti,
- M. Nebot-Guinot,
- P. Novella,
- D.R. Nygren,
- B. Palmeiro,
- A. Para,
- J. Pérez,
- M. Querol,
- J. Renner,
- L. Ripoll,
- J. Rodríguez,
- L. Rogers,
- F.P. Santos,
- J.M.F. dos Santos,
- A. Simón,
- C. Sofka,
- M. Sorel,
- T. Stiegler,
- J.F. Toledo,
- J. Torrent,
- Z. Tsamalaidze,
- J.F.C.A. Veloso,
- R. Webb,
- J.T. White,
- N. Yahlali
Affiliations
- C.A.O. Henriques
- LIBPhys, Physics Department, University of Coimbra, Rua Larga, 3004-516 Coimbra, Portugal
- E.D.C. Freitas
- LIBPhys, Physics Department, University of Coimbra, Rua Larga, 3004-516 Coimbra, Portugal
- C.D.R. Azevedo
- Institute of Nanostructures, Nanomodelling and Nanofabrication (i3N), Universidade de Aveiro, Campus de Santiago, 3810-193 Aveiro, Portugal
- D. González-Díaz
- Instituto Gallego de Física de Altas Energías, Univ. de Santiago de Compostela, Campus sur, Rúa Xosé María Suárez Núñez, s/n, 15782 Santiago de Compostela, Spain
- R.D.P. Mano
- LIBPhys, Physics Department, University of Coimbra, Rua Larga, 3004-516 Coimbra, Portugal
- M.R. Jorge
- LIBPhys, Physics Department, University of Coimbra, Rua Larga, 3004-516 Coimbra, Portugal
- L.M.P. Fernandes
- LIBPhys, Physics Department, University of Coimbra, Rua Larga, 3004-516 Coimbra, Portugal
- C.M.B. Monteiro
- LIBPhys, Physics Department, University of Coimbra, Rua Larga, 3004-516 Coimbra, Portugal; Corresponding author.
- J.J. Gómez-Cadenas
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- V. Álvarez
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- J.M. Benlloch-Rodríguez
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- F.I.G.M. Borges
- LIP, Departamento de Física, Universidade de Coimbra, Rua Larga, 3004-516 Coimbra, Portugal
- A. Botas
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- S. Cárcel
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- J.V. Carríon
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- S. Cebrían
- Laboratorio de Física Nuclear y Astropartículas, Universidad de Zaragoza, Calle Pedro Cerbuna, 12, 50009 Zaragoza, Spain
- C.A.N. Conde
- LIP, Departamento de Física, Universidade de Coimbra, Rua Larga, 3004-516 Coimbra, Portugal
- J. Díaz
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- M. Diesburg
- Fermi National Accelerator Laboratory, Batavia, IL 60510, USA
- R. Esteve
- Instituto de Instrumentación para Imagen Molecular (I3M), Universitat Politècnica de València, Camino de Vera, s/n, Edificio 8B, 46022 Valencia, Spain
- R. Felkai
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- P. Ferrario
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- A.L. Ferreira
- Institute of Nanostructures, Nanomodelling and Nanofabrication (i3N), Universidade de Aveiro, Campus de Santiago, 3810-193 Aveiro, Portugal
- A. Goldschmidt
- Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), 1 Cyclotron Road, Berkeley, CA 94720, USA
- R.M. Gutiérrez
- Centro de Investigación en Ciencias Básicas y Aplicadas, Universidad Antonio Nariño, Sede Circunvalar, Carretera 3 Este No. 47 A-15, Bogotá, Colombia
- J. Hauptman
- Department of Physics and Astronomy, Iowa State University, 12 Physics Hall, Ames, IA 50011-3160, USA
- A.I. Hernandez
- Centro de Investigación en Ciencias Básicas y Aplicadas, Universidad Antonio Nariño, Sede Circunvalar, Carretera 3 Este No. 47 A-15, Bogotá, Colombia
- J.A. Hernando Morata
- Instituto Gallego de Física de Altas Energías, Univ. de Santiago de Compostela, Campus sur, Rúa Xosé María Suárez Núñez, s/n, 15782 Santiago de Compostela, Spain
- V. Herrero
- Instituto de Instrumentación para Imagen Molecular (I3M), Universitat Politècnica de València, Camino de Vera, s/n, Edificio 8B, 46022 Valencia, Spain
- B.J.P. Jones
- Department of Physics, University of Texas at Arlington, Arlington, TX 76019, USA
- L. Labarga
- Departamento de Física Teórica, Universidad Autónoma de Madrid, Campus de Cantoblanco, 28049 Madrid, Spain
- A. Laing
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- P. Lebrun
- Fermi National Accelerator Laboratory, Batavia, IL 60510, USA
- I. Liubarsky
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- N. López-March
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- M. Losada
- Centro de Investigación en Ciencias Básicas y Aplicadas, Universidad Antonio Nariño, Sede Circunvalar, Carretera 3 Este No. 47 A-15, Bogotá, Colombia
- J. Martín-Albo
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- G. Martínez-Lema
- Department of Physics, University of Texas at Arlington, Arlington, TX 76019, USA
- A. Martínez
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- A.D. McDonald
- Department of Physics, University of Texas at Arlington, Arlington, TX 76019, USA
- F. Monrabal
- Department of Physics, University of Texas at Arlington, Arlington, TX 76019, USA
- F.J. Mora
- Instituto de Instrumentación para Imagen Molecular (I3M), Universitat Politècnica de València, Camino de Vera, s/n, Edificio 8B, 46022 Valencia, Spain
- L.M. Moutinho
- Institute of Nanostructures, Nanomodelling and Nanofabrication (i3N), Universidade de Aveiro, Campus de Santiago, 3810-193 Aveiro, Portugal
- J. Muñoz Vidal
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- M. Musti
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- M. Nebot-Guinot
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- P. Novella
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- D.R. Nygren
- Department of Physics, University of Texas at Arlington, Arlington, TX 76019, USA
- B. Palmeiro
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- A. Para
- Fermi National Accelerator Laboratory, Batavia, IL 60510, USA
- J. Pérez
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- M. Querol
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- J. Renner
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- L. Ripoll
- Escola Politècnica Superior, Universitat de Girona, Av. Montilivi, s/n, 17071 Girona, Spain
- J. Rodríguez
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- L. Rogers
- Department of Physics, University of Texas at Arlington, Arlington, TX 76019, USA
- F.P. Santos
- LIP, Departamento de Física, Universidade de Coimbra, Rua Larga, 3004-516 Coimbra, Portugal
- J.M.F. dos Santos
- LIBPhys, Physics Department, University of Coimbra, Rua Larga, 3004-516 Coimbra, Portugal
- A. Simón
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- C. Sofka
- Department of Physics and Astronomy, Texas A&M University, College Station, TX 77843-4242, USA
- M. Sorel
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- T. Stiegler
- Department of Physics and Astronomy, Texas A&M University, College Station, TX 77843-4242, USA
- J.F. Toledo
- Instituto de Instrumentación para Imagen Molecular (I3M), Universitat Politècnica de València, Camino de Vera, s/n, Edificio 8B, 46022 Valencia, Spain
- J. Torrent
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- Z. Tsamalaidze
- Joint Institute for Nuclear Research (JINR), Joliot-Curie 6, 141980 Dubna, Russia
- J.F.C.A. Veloso
- Institute of Nanostructures, Nanomodelling and Nanofabrication (i3N), Universidade de Aveiro, Campus de Santiago, 3810-193 Aveiro, Portugal
- R. Webb
- Department of Physics and Astronomy, Texas A&M University, College Station, TX 77843-4242, USA
- J.T. White
- Department of Physics and Astronomy, Texas A&M University, College Station, TX 77843-4242, USA
- N. Yahlali
- Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain
- Journal volume & issue
-
Vol. 773
pp. 663 – 671
Abstract
Xe–CO2 mixtures are important alternatives to pure xenon in Time Projection Chambers (TPC) based on secondary scintillation (electroluminescence) signal amplification with applications in the important field of rare event detection such as directional dark matter, double electron capture and double beta decay detection. The addition of CO2 to pure xenon at the level of 0.05–0.1% can reduce significantly the scale of electron diffusion from 10 mm/m to 2.5 mm/m, with high impact on the discrimination efficiency of the events through pattern recognition of the topology of primary ionization trails. We have measured the electroluminescence (EL) yield of Xe–CO2 mixtures, with sub-percent CO2 concentrations. We demonstrate that the EL production is still high in these mixtures, 70% and 35% relative to that produced in pure xenon, for CO2 concentrations around 0.05% and 0.1%, respectively. The contribution of the statistical fluctuations in EL production to the energy resolution increases with increasing CO2 concentration, being smaller than the contribution of the Fano factor for concentrations below 0.1% CO2. Keywords: Double beta decay, Neutrino, Rare event detection, Electroluminescence, Secondary scintillation, Xenon