European Physical Journal C: Particles and Fields (Oct 2023)
A 50 l Cygno prototype overground characterization
- Fernando Domingues Amaro,
- Rita Antonietti,
- Elisabetta Baracchini,
- Luigi Benussi,
- Stefano Bianco,
- Francesco Borra,
- Cesidio Capoccia,
- Michele Caponero,
- Danilo Santos Cardoso,
- Gianluca Cavoto,
- Igor Abritta Costa,
- Emiliano Dané,
- Giorgio Dho,
- Flaminia Di Giambattista,
- Emanuele Di Marco,
- Giulia D’Imperio,
- Joaquim Marques Ferreira dos Santos,
- Giovanni Grilli di Cortona,
- Francesco Iacoangeli,
- Ernesto Kemp,
- Herman Pessoa Lima Júnior,
- Guilherme Sebastiao Pinheiro Lopes,
- Amaro da Silva Lopes Júnior,
- Giovanni Maccarrone,
- Rui Daniel Passos Mano,
- Robert Renz Marcelo Gregorio,
- David José Gaspar Marques,
- Giovanni Mazzitelli,
- Alasdair Gregor McLean,
- Pietro Meloni,
- Andrea Messina,
- Cristina Maria Bernardes Monteiro,
- Rafael Antunes Nobrega,
- Igor Fonseca Pains,
- Emiliano Paoletti,
- Luciano Passamonti,
- Sandro Pelosi,
- Fabrizio Petrucci,
- Stefano Piacentini,
- Davide Piccolo,
- Daniele Pierluigi,
- Davide Pinci,
- Atul Prajapati,
- Francesco Renga,
- Rita Cruz Roque,
- Filippo Rosatelli,
- Alessandro Russo,
- Giovanna Saviano,
- Neil John Curwen Spooner,
- Roberto Tesauro,
- Sandro Tomassini,
- Samuele Torelli,
- Donatella Tozzi
Affiliations
- Fernando Domingues Amaro
- LIBPhys, Department of Physics, University of Coimbra
- Rita Antonietti
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma TRE
- Elisabetta Baracchini
- Gran Sasso Science Institute
- Luigi Benussi
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
- Stefano Bianco
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
- Francesco Borra
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma
- Cesidio Capoccia
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
- Michele Caponero
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
- Danilo Santos Cardoso
- Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas
- Gianluca Cavoto
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma
- Igor Abritta Costa
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma TRE
- Emiliano Dané
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
- Giorgio Dho
- Gran Sasso Science Institute
- Flaminia Di Giambattista
- Gran Sasso Science Institute
- Emanuele Di Marco
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma
- Giulia D’Imperio
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma
- Joaquim Marques Ferreira dos Santos
- LIBPhys, Department of Physics, University of Coimbra
- Giovanni Grilli di Cortona
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
- Francesco Iacoangeli
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma
- Ernesto Kemp
- Gran Sasso Science Institute
- Herman Pessoa Lima Júnior
- Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas
- Guilherme Sebastiao Pinheiro Lopes
- Universidade Federal de Juiz de Fora, Faculdade de Engenharia
- Amaro da Silva Lopes Júnior
- Universidade Federal de Juiz de Fora, Faculdade de Engenharia
- Giovanni Maccarrone
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
- Rui Daniel Passos Mano
- LIBPhys, Department of Physics, University of Coimbra
- Robert Renz Marcelo Gregorio
- Department of Physics and Astronomy, University of Sheffield
- David José Gaspar Marques
- Gran Sasso Science Institute
- Giovanni Mazzitelli
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
- Alasdair Gregor McLean
- Department of Physics and Astronomy, University of Sheffield
- Pietro Meloni
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma TRE
- Andrea Messina
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma
- Cristina Maria Bernardes Monteiro
- LIBPhys, Department of Physics, University of Coimbra
- Rafael Antunes Nobrega
- Universidade Federal de Juiz de Fora, Faculdade de Engenharia
- Igor Fonseca Pains
- Universidade Federal de Juiz de Fora, Faculdade de Engenharia
- Emiliano Paoletti
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
- Luciano Passamonti
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
- Sandro Pelosi
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma
- Fabrizio Petrucci
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma TRE
- Stefano Piacentini
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma
- Davide Piccolo
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
- Daniele Pierluigi
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
- Davide Pinci
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma
- Atul Prajapati
- Gran Sasso Science Institute
- Francesco Renga
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma
- Rita Cruz Roque
- LIBPhys, Department of Physics, University of Coimbra
- Filippo Rosatelli
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
- Alessandro Russo
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
- Giovanna Saviano
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
- Neil John Curwen Spooner
- Department of Physics and Astronomy, University of Sheffield
- Roberto Tesauro
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
- Sandro Tomassini
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
- Samuele Torelli
- Gran Sasso Science Institute
- Donatella Tozzi
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma
- DOI
- https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-023-11988-9
- Journal volume & issue
-
Vol. 83,
no. 10
pp. 1 – 23
Abstract
Abstract The nature of dark matter is still unknown and an experimental program to look for dark matter particles in our Galaxy should extend its sensitivity to light particles in the GeV mass range and exploit the directional information of the DM particle motion (Vahsen et al. in CYGNUS: feasibility of a nuclear recoil observatory with directional sensitivity to dark matter and neutrinos, arXiv:2008.12587 , 2020). The Cygno project is studying a gaseous time projection chamber operated at atmospheric pressure with a Gas Electron Multiplier (Sauli in Nucl Instrum Meth A 386:531, https://doi.org/10.1016/S0168-9002(96)01172-2 , 1997) amplification and with an optical readout as a promising technology for light dark matter and directional searches. In this paper we describe the operation of a 50 l prototype named LIME (Long Imaging ModulE) in an overground location at Laboratori Nazionali di Frascati (LNF) of INFN. This prototype employs the technology under study for the 1 cubic meter Cygno demonstrator to be installed at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) (Amaro et al. in Instruments 2022, 6(1), https://www.mdpi.com/2410-390X/6/1/6 , 2022). We report the characterization of LIME with photon sources in the energy range from few keV to several tens of keV to understand the performance of the energy reconstruction of the emitted electron. We achieved a low energy threshold of few keV and an energy resolution over the whole energy range of 10–20%, while operating the detector for several weeks continuously with very high operational efficiency. The energy spectrum of the reconstructed electrons is then reported and will be the basis to identify radio-contaminants of the LIME materials to be removed for future Cygno detectors.