European Physical Journal C: Particles and Fields (Oct 2024)
Enhancing the light yield of He:CF $$_4$$ 4 based gaseous detector
- Fernando Domingues Amaro,
- Rita Antonietti,
- Elisabetta Baracchini,
- Luigi Benussi,
- Stefano Bianco,
- Roberto Campagnola,
- Cesidio Capoccia,
- Michele Caponero,
- Danilo Santos Cardoso,
- Luan Gomes Mattosinhos de Carvalho,
- Gianluca Cavoto,
- Igor Abritta Costa,
- Antonio Croce,
- Emiliano Dané,
- Giorgio Dho,
- Flaminia Di Giambattista,
- Emanuele Di Marco,
- Melba D’Astolfo,
- Giulia D’Imperio,
- Davide Fiorina,
- Francesco Iacoangeli,
- Zahoor ul Islam,
- Herman Pessoa Lima Jùnior,
- Ernesto Kemp,
- Giovanni Maccarrone,
- Rui Daniel Passos Mano,
- Robert Renz Marcelo Gregorio,
- David José Gaspar Marques,
- Giovanni Mazzitelli,
- Alasdair Gregor McLean,
- Andrea Messina,
- Pietro Meloni,
- Cristina Maria Bernardes Monteiro,
- Rafael Antunes Nobrega,
- Igor Fonseca Pains,
- Emiliano Paoletti,
- Luciano Passamonti,
- Fabrizio Petrucci,
- Stefano Piacentini,
- Davide Piccolo,
- Daniele Pierluigi,
- Davide Pinci,
- Atul Prajapati,
- Francesco Renga,
- Rita Joana da Cruz Roque,
- Filippo Rosatelli,
- Alessandro Russo,
- Joaquim Marques Ferreira dos Santos,
- Giovanna Saviano,
- Pedro Alberto Oliveira Costa Silva,
- Neil John Curwen Spooner,
- Roberto Tesauro,
- Sandro Tomassini,
- Samuele Torelli
Affiliations
- Fernando Domingues Amaro
- LIBPhys, Department of Physics, University of Coimbra
- Rita Antonietti
- Dipartimento di Matematica e Fisica, Università Roma TRE
- Elisabetta Baracchini
- Gran Sasso Science Institute
- Luigi Benussi
- Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
- Stefano Bianco
- Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
- Roberto Campagnola
- Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
- Cesidio Capoccia
- Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
- Michele Caponero
- Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
- Danilo Santos Cardoso
- Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas
- Luan Gomes Mattosinhos de Carvalho
- Faculdade de Engenharia, Universidade Federal de Juiz de Fora
- Gianluca Cavoto
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma
- Igor Abritta Costa
- Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
- Antonio Croce
- Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
- Emiliano Dané
- Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
- Giorgio Dho
- Gran Sasso Science Institute
- Flaminia Di Giambattista
- Gran Sasso Science Institute
- Emanuele Di Marco
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma
- Melba D’Astolfo
- Gran Sasso Science Institute
- Giulia D’Imperio
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma
- Davide Fiorina
- Gran Sasso Science Institute
- Francesco Iacoangeli
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma
- Zahoor ul Islam
- Gran Sasso Science Institute
- Herman Pessoa Lima Jùnior
- Gran Sasso Science Institute
- Ernesto Kemp
- Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
- Giovanni Maccarrone
- Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
- 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
- Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
- Alasdair Gregor McLean
- Department of Physics and Astronomy, University of Sheffield
- Andrea Messina
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma
- Pietro Meloni
- Dipartimento di Matematica e Fisica, Università Roma TRE
- Cristina Maria Bernardes Monteiro
- LIBPhys, Department of Physics, University of Coimbra
- Rafael Antunes Nobrega
- Faculdade de Engenharia, Universidade Federal de Juiz de Fora
- Igor Fonseca Pains
- Faculdade de Engenharia, Universidade Federal de Juiz de Fora
- Emiliano Paoletti
- Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
- Luciano Passamonti
- Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
- Fabrizio Petrucci
- Dipartimento di Matematica e Fisica, Università Roma TRE
- Stefano Piacentini
- Gran Sasso Science Institute
- Davide Piccolo
- Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
- Daniele Pierluigi
- Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
- 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 Joana da Cruz Roque
- LIBPhys, Department of Physics, University of Coimbra
- Filippo Rosatelli
- Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
- Alessandro Russo
- Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
- Joaquim Marques Ferreira dos Santos
- LIBPhys, Department of Physics, University of Coimbra
- Giovanna Saviano
- Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
- Pedro Alberto Oliveira Costa Silva
- LIBPhys, Department of Physics, University of Coimbra
- Neil John Curwen Spooner
- Department of Physics and Astronomy, University of Sheffield
- Roberto Tesauro
- Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
- Sandro Tomassini
- Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
- Samuele Torelli
- Gran Sasso Science Institute
- DOI
- https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-024-13471-5
- Journal volume & issue
-
Vol. 84,
no. 10
pp. 1 – 21
Abstract
Abstract The CYGNO experiment aims to build a large ( $$\mathcal {O}(10)$$ O ( 10 ) m $$^3$$ 3 ) directional detector for rare event searches, such as nuclear recoils (NRs) induced by dark matter (DM), such as weakly interactive massive particles (WIMPs). The detector concept comprises a time projection chamber (TPC), filled with a He:CF $$_4$$ 4 60/40 scintillating gas mixture at room temperature and atmospheric pressure, equipped with an amplification stage made of a stack of three gas electron multipliers (GEMs) which are coupled to an optical readout. The latter consists in scientific CMOS (sCMOS) cameras and photomultipliers tubes (PMTs). The maximisation of the light yield of the amplification stage plays a major role in the determination of the energy threshold of the experiment. In this paper, we simulate the effect of the addition of a strong electric field below the last GEM plane on the GEM field structure and we experimentally test it by means of a 10 $$\times $$ × 10 cm $$^2$$ 2 readout area prototype. The experimental measurements analyse stacks of different GEMs and helium concentrations in the gas mixture combined with this extra electric field, studying their performances in terms of light yield, energy resolution and intrinsic diffusion. It is found that the use of this additional electric field permits large light yield increases without degrading intrinsic characteristics of the amplification stage with respect to the regular use of GEMs.