European Physical Journal C: Particles and Fields (Sep 2020)
Cryogenic characterization of a $$\hbox {LiAlO}_{2}$$ LiAlO 2 crystal and new results on spin-dependent dark matter interactions with ordinary matter
- A. H. Abdelhameed,
- G. Angloher,
- P. Bauer,
- A. Bento,
- E. Bertoldo,
- R. Breier,
- C. Bucci,
- L. Canonica,
- A. D’Addabbo,
- S. Di Lorenzo,
- A. Erb,
- F. V. Feilitzsch,
- N. Ferreiro Iachellini,
- S. Fichtinger,
- D. Fuchs,
- A. Fuss,
- V. M. Ghete,
- A. Garai,
- P. Gorla,
- D. Hauff,
- M. Ješkovský,
- J. Jochum,
- J. Kaizer,
- M. Kaznacheeva,
- A. Kinast,
- H. Kluck,
- H. Kraus,
- A. Langenkämper,
- M. Mancuso,
- V. Mokina,
- E. Mondragon,
- M. Olmi,
- T. Ortmann,
- C. Pagliarone,
- V. Palušová,
- L. Pattavina,
- F. Petricca,
- W. Potzel,
- P. Povinec,
- F. Pröbst,
- F. Reindl,
- J. Rothe,
- K. Schäffner,
- J. Schieck,
- V. Schipperges,
- D. Schmiedmayer,
- S. Schönert,
- C. Schwertner,
- M. Stahlberg,
- L. Stodolsky,
- C. Strandhagen,
- R. Strauss,
- I. Usherov,
- F. Wagner,
- M. Willers,
- V. Zema,
- J. Zeman,
- M. Brützam,
- S. Ganschow
Affiliations
- A. H. Abdelhameed
- Max-Planck-Institut für Physik
- G. Angloher
- Max-Planck-Institut für Physik
- P. Bauer
- Max-Planck-Institut für Physik
- A. Bento
- Max-Planck-Institut für Physik
- E. Bertoldo
- Max-Planck-Institut für Physik
- R. Breier
- Faculty of Mathematics, Physics and Informatics, Comenius University
- C. Bucci
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, INFN
- L. Canonica
- Max-Planck-Institut für Physik
- A. D’Addabbo
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, INFN
- S. Di Lorenzo
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, INFN
- A. Erb
- Physik-Department and Excellence Cluster Universe, Technische Universität München
- F. V. Feilitzsch
- Physik-Department and Excellence Cluster Universe, Technische Universität München
- N. Ferreiro Iachellini
- Max-Planck-Institut für Physik
- S. Fichtinger
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- D. Fuchs
- Max-Planck-Institut für Physik
- A. Fuss
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- V. M. Ghete
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- A. Garai
- Max-Planck-Institut für Physik
- P. Gorla
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, INFN
- D. Hauff
- Max-Planck-Institut für Physik
- M. Ješkovský
- Faculty of Mathematics, Physics and Informatics, Comenius University
- J. Jochum
- Eberhard-Karls-Universität Tübingen
- J. Kaizer
- Faculty of Mathematics, Physics and Informatics, Comenius University
- M. Kaznacheeva
- Physik-Department and Excellence Cluster Universe, Technische Universität München
- A. Kinast
- Physik-Department and Excellence Cluster Universe, Technische Universität München
- H. Kluck
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- H. Kraus
- Department of Physics, University of Oxford
- A. Langenkämper
- Physik-Department and Excellence Cluster Universe, Technische Universität München
- M. Mancuso
- Max-Planck-Institut für Physik
- V. Mokina
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- E. Mondragon
- Physik-Department and Excellence Cluster Universe, Technische Universität München
- M. Olmi
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, INFN
- T. Ortmann
- Physik-Department and Excellence Cluster Universe, Technische Universität München
- C. Pagliarone
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, INFN
- V. Palušová
- Faculty of Mathematics, Physics and Informatics, Comenius University
- L. Pattavina
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, INFN
- F. Petricca
- Max-Planck-Institut für Physik
- W. Potzel
- Physik-Department and Excellence Cluster Universe, Technische Universität München
- P. Povinec
- Faculty of Mathematics, Physics and Informatics, Comenius University
- F. Pröbst
- Max-Planck-Institut für Physik
- F. Reindl
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- J. Rothe
- Max-Planck-Institut für Physik
- K. Schäffner
- Max-Planck-Institut für Physik
- J. Schieck
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- V. Schipperges
- Eberhard-Karls-Universität Tübingen
- D. Schmiedmayer
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- S. Schönert
- Physik-Department and Excellence Cluster Universe, Technische Universität München
- C. Schwertner
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- M. Stahlberg
- Max-Planck-Institut für Physik
- L. Stodolsky
- Max-Planck-Institut für Physik
- C. Strandhagen
- Eberhard-Karls-Universität Tübingen
- R. Strauss
- Physik-Department and Excellence Cluster Universe, Technische Universität München
- I. Usherov
- Eberhard-Karls-Universität Tübingen
- F. Wagner
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- M. Willers
- Physik-Department and Excellence Cluster Universe, Technische Universität München
- V. Zema
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, INFN
- J. Zeman
- Faculty of Mathematics, Physics and Informatics, Comenius University
- M. Brützam
- Leibniz-Institut für Kristallzüchtung
- S. Ganschow
- Leibniz-Institut für Kristallzüchtung
- DOI
- https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-020-8329-4
- Journal volume & issue
-
Vol. 80,
no. 9
pp. 1 – 10
Abstract
Abstract In this work, a first cryogenic characterization of a scintillating $$\hbox {LiAlO}_{2}$$ LiAlO 2 single crystal is presented. The results achieved show that this material holds great potential as a target for direct dark matter search experiments. Three different detector modules obtained from one crystal grown at the Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) have been tested to study different properties at cryogenic temperatures. Firstly, two 2.8 g twin crystals were used to build different detector modules which were operated in an above-ground laboratory at the Max Planck Institute for Physics (MPP) in Munich, Germany. The first detector module was used to study the scintillation properties of $$\hbox {LiAlO}_{2}$$ LiAlO 2 at cryogenic temperatures. The second achieved an energy threshold of ( $$213.02\pm 1.48$$ 213.02 ± 1.48 ) eV which allows setting a competitive limit on the spin-dependent dark matter particle-proton scattering cross section for dark matter particle masses between $$350\,\hbox {MeV/c}^{2}$$ 350 MeV/c 2 and $$1.50\,\hbox {GeV/c}^{2}$$ 1.50 GeV/c 2 . Secondly, a detector module with a 373 g $$\hbox {LiAlO}_{2}$$ LiAlO 2 crystal as the main absorber was tested in an underground facility at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS): from this measurement it was possible to determine the radiopurity of the crystal and study the feasibility of using this material as a neutron flux monitor for low-background experiments.
Keywords