European Physical Journal C: Particles and Fields (Nov 2021)
Performance of the ReD TPC, a novel double-phase LAr detector with silicon photomultiplier readout
- P. Agnes,
- S. Albergo,
- I. Albuquerque,
- M. Arba,
- M. Ave,
- A. Boiano,
- W. M. Bonivento,
- B. Bottino,
- S. Bussino,
- M. Cadeddu,
- A. Caminata,
- N. Canci,
- G. Cappello,
- M. Caravati,
- M. Cariello,
- S. Castellano,
- S. Catalanotti,
- V. Cataudella,
- R. Cereseto,
- R. Cesarano,
- C. Cicalò,
- G. Covone,
- A. de Candia,
- G. De Filippis,
- G. De Rosa,
- S. Davini,
- C. Dionisi,
- G. Dolganov,
- G. Fiorillo,
- D. Franco,
- G. K. Giovanetti,
- C. Galbiati,
- M. Gulino,
- V. Ippolito,
- N. Kemmerich,
- I. Kochanek,
- G. Korga,
- M. Kuss,
- M. La Commara,
- L. La Delfa,
- M. Leyton,
- X. Li,
- M. Lissia,
- S. M. Mari,
- C. J. Martoff,
- V. Masone,
- G. Matteucci,
- P. Musico,
- V. Oleynikov,
- M. Pallavicini,
- L. Pandola,
- A. Razeto,
- M. Rescigno,
- J. Rode,
- N. Rossi,
- D. Sablone,
- S. Sanfilippo,
- E. Scapparone,
- A. Sosa,
- Y. Suvorov,
- G. Testera,
- A. Tricomi,
- M. Tuveri,
- M. Wada,
- H. Wang,
- Y. Wang,
- S. Westerdale
Affiliations
- P. Agnes
- Department of Physics, University of Houston
- S. Albergo
- Physics and Astronomy Department, Università degli Studi di Catania and INFN
- I. Albuquerque
- Instituto de Física, Universidade de São Paulo
- M. Arba
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Cagliari
- M. Ave
- Instituto de Física, Universidade de São Paulo
- A. Boiano
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
- W. M. Bonivento
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Cagliari
- B. Bottino
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Genova
- S. Bussino
- Physics Department, Università di Roma Tre
- M. Cadeddu
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Cagliari
- A. Caminata
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Genova
- N. Canci
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso
- G. Cappello
- Physics and Astronomy Department, Università degli Studi di Catania and INFN
- M. Caravati
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Cagliari
- M. Cariello
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Genova
- S. Castellano
- Istituto Nazionale Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
- S. Catalanotti
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
- V. Cataudella
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
- R. Cereseto
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Genova
- R. Cesarano
- Physics Department, Università degli Studi Federico II
- C. Cicalò
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Cagliari
- G. Covone
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
- A. de Candia
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
- G. De Filippis
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
- G. De Rosa
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
- S. Davini
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Genova
- C. Dionisi
- Physics Department, Sapienza Università di Roma
- G. Dolganov
- National Research Centre Kurchatov Institute
- G. Fiorillo
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
- D. Franco
- APC, Université Paris Diderot, CNRS/IN2P3, CEA/Irfu, Obs. de Paris, Sorbonne Paris Cité
- G. K. Giovanetti
- Physics Department, Williams College
- C. Galbiati
- Physics Department, Princeton University
- M. Gulino
- Università di Enna Kore
- V. Ippolito
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma
- N. Kemmerich
- Instituto de Física, Universidade de São Paulo
- I. Kochanek
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso
- G. Korga
- Department of Physics, Royal Holloway University of London
- M. Kuss
- Istituto Nazionale Fisica Nucleare, Sezione di Pisa
- M. La Commara
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
- L. La Delfa
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Cagliari
- M. Leyton
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
- X. Li
- Physics Department, Princeton University
- M. Lissia
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Cagliari
- S. M. Mari
- Physics Department, Università di Roma Tre
- C. J. Martoff
- Physics Department, Temple University
- V. Masone
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
- G. Matteucci
- Physics Department, Università degli Studi Federico II
- P. Musico
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Genova
- V. Oleynikov
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
- M. Pallavicini
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Genova
- L. Pandola
- Laboratori Nazionali del Sud, Istituto Nazionale Fisica Nucleare
- A. Razeto
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso
- M. Rescigno
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma
- J. Rode
- APC, Université Paris Diderot, CNRS/IN2P3, CEA/Irfu, Obs. de Paris, Sorbonne Paris Cité
- N. Rossi
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso
- D. Sablone
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso
- S. Sanfilippo
- Physics Department, Università di Roma Tre
- E. Scapparone
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bologna
- A. Sosa
- Instituto de Física, Universidade de São Paulo
- Y. Suvorov
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli
- G. Testera
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Genova
- A. Tricomi
- Physics and Astronomy Department, Università degli Studi di Catania and INFN
- M. Tuveri
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Cagliari
- M. Wada
- AstroCeNT, Nicolaus Copernicus Astronomical Center of the Polish Academy of Sciences
- H. Wang
- Physics and Astronomy Department, University of California
- Y. Wang
- Institute of High Energy Physics
- S. Westerdale
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Cagliari
- DOI
- https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-021-09801-6
- Journal volume & issue
-
Vol. 81,
no. 11
pp. 1 – 19
Abstract
Abstract A double-phase argon Time Projection Chamber (TPC), with an active mass of 185 g, has been designed and constructed for the Recoil Directionality (ReD) experiment. The aim of the ReD project is to investigate the directional sensitivity of argon-based TPCs via columnar recombination to nuclear recoils in the energy range of interest (20– $$200\,\hbox {keV}_{nr}$$ 200 keV nr ) for direct dark matter searches. The key novel feature of the ReD TPC is a readout system based on cryogenic Silicon Photomultipliers (SiPMs), which are employed and operated continuously for the first time in an argon TPC. Over the course of 6 months, the ReD TPC was commissioned and characterised under various operating conditions using $$\gamma $$ γ -ray and neutron sources, demonstrating remarkable stability of the optical sensors and reproducibility of the results. The scintillation gain and ionisation amplification of the TPC were measured to be $$g_1 = (0.194 \pm 0.013)$$ g 1 = ( 0.194 ± 0.013 ) photoelectrons/photon and $$g_2 = (20.0 \pm 0.9)$$ g 2 = ( 20.0 ± 0.9 ) photoelectrons/electron, respectively. The ratio of the ionisation to scintillation signals (S2/S1), instrumental for the positive identification of a candidate directional signal induced by WIMPs, has been investigated for both nuclear and electron recoils. At a drift field of 183 V/cm, an S2/S1 dispersion of 12% was measured for nuclear recoils of approximately 60– $$90\,\hbox {keV}_{nr}$$ 90 keV nr , as compared to 18% for electron recoils depositing 60 keV of energy. The detector performance reported here meets the requirements needed to achieve the principal scientific goals of the ReD experiment in the search for a directional effect due to columnar recombination. A phenomenological parameterisation of the recombination probability in LAr is presented and employed for modeling the dependence of scintillation quenching and charge yield on the drift field for electron recoils between 50–500 keV and fields up to 1000 V/cm.