Physics Letters B (Aug 2024)
Secondary scintillation yield from GEM electron avalanches in Image 1-Image 2 and Image 1-Image 2-isobutane for CYGNO — Directional Dark Matter search with an optical TPC
- F.D. Amaro,
- E. Baracchini,
- L. Benussi,
- S. Bianco,
- C. Capoccia,
- M. Caponero,
- D.S. Cardoso,
- G. Cavoto,
- A. Cortez,
- I.A. Costa,
- G. D'Imperio,
- E. Dané,
- G. Dho,
- F. Di Giambattista,
- E. Di Marco,
- F. Iacoangeli,
- H.P. Lima Júnior,
- G.S.P. Lopes,
- G. Maccarrone,
- R.D.P. Mano,
- R.R. Marcelo Gregorio,
- D.J.G. Marques,
- G. Mazzitelli,
- A.G. McLean,
- A. Messina,
- C.M.B. Monteiro,
- R.A. Nobrega,
- I.F. Pains,
- E. Paoletti,
- L. Passamonti,
- F. Petrucci,
- S. Piacentini,
- D. Piccolo,
- D. Pierluigi,
- D. Pinci,
- A. Prajapati,
- F. Renga,
- R. J.d.C. Roque,
- F. Rosatelli,
- A. Russo,
- G. Saviano,
- N.J.C. Spooner,
- R. Tesauro,
- S. Tomassini,
- S. Torelli,
- J.M.F. dos Santos
Affiliations
- F.D. Amaro
- LIBPhys, Department of Physics, University of Coimbra, 3004-516 Coimbra, Portugal
- E. Baracchini
- Gran Sasso Science Institute, 67100, L'Aquila, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67100, Assergi, Italy
- L. Benussi
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, 00044, Frascati, Italy
- S. Bianco
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, 00044, Frascati, Italy
- C. Capoccia
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, 00044, Frascati, Italy
- M. Caponero
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, 00044, Frascati, Italy; ENEA Centro Ricerche Frascati, 00044, Frascati, Italy
- D.S. Cardoso
- Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas, Rio de Janeiro 22290-180, RJ, Brazil
- G. Cavoto
- Dipartimento di Fisica, Universitá La Sapienza di Roma, 00185, Roma, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, 00185, Rome, Italy
- A. Cortez
- Gran Sasso Science Institute, 67100, L'Aquila, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67100, Assergi, Italy
- I.A. Costa
- Dipartimento di Matematica e Fisica, Universitá Roma TRE, 00146, Roma, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma Tre, 00146, Rome, Italy
- G. D'Imperio
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, 00185, Rome, Italy
- E. Dané
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, 00044, Frascati, Italy
- G. Dho
- Gran Sasso Science Institute, 67100, L'Aquila, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67100, Assergi, Italy
- F. Di Giambattista
- Gran Sasso Science Institute, 67100, L'Aquila, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67100, Assergi, Italy
- E. Di Marco
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, 00185, Rome, Italy
- F. Iacoangeli
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, 00185, Rome, Italy
- H.P. Lima Júnior
- Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas, Rio de Janeiro 22290-180, RJ, Brazil
- G.S.P. Lopes
- Universidade Federal de Juiz de Fora, Faculdade de Engenharia, 36036-900, Juiz de Fora, MG, Brazil
- G. Maccarrone
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, 00044, Frascati, Italy
- R.D.P. Mano
- LIBPhys, Department of Physics, University of Coimbra, 3004-516 Coimbra, Portugal
- R.R. Marcelo Gregorio
- Department of Physics and Astronomy, University of Sheffield, Sheffield, S3 7RH, UK
- D.J.G. Marques
- Gran Sasso Science Institute, 67100, L'Aquila, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67100, Assergi, Italy
- G. Mazzitelli
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, 00044, Frascati, Italy
- A.G. McLean
- Department of Physics and Astronomy, University of Sheffield, Sheffield, S3 7RH, UK
- A. Messina
- Dipartimento di Fisica, Universitá La Sapienza di Roma, 00185, Roma, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, 00185, Rome, Italy
- C.M.B. Monteiro
- LIBPhys, Department of Physics, University of Coimbra, 3004-516 Coimbra, Portugal; Corresponding authors.
- R.A. Nobrega
- Universidade Federal de Juiz de Fora, Faculdade de Engenharia, 36036-900, Juiz de Fora, MG, Brazil
- I.F. Pains
- Universidade Federal de Juiz de Fora, Faculdade de Engenharia, 36036-900, Juiz de Fora, MG, Brazil
- E. Paoletti
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, 00044, Frascati, Italy
- L. Passamonti
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, 00044, Frascati, Italy
- F. Petrucci
- Dipartimento di Matematica e Fisica, Universitá Roma TRE, 00146, Roma, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma Tre, 00146, Rome, Italy
- S. Piacentini
- Dipartimento di Fisica, Universitá La Sapienza di Roma, 00185, Roma, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, 00185, Rome, Italy
- D. Piccolo
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, 00044, Frascati, Italy
- D. Pierluigi
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, 00044, Frascati, Italy
- D. Pinci
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, 00185, Rome, Italy
- A. Prajapati
- Gran Sasso Science Institute, 67100, L'Aquila, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67100, Assergi, Italy
- F. Renga
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma, 00185, Rome, Italy
- R. J.d.C. Roque
- LIBPhys, Department of Physics, University of Coimbra, 3004-516 Coimbra, Portugal; Corresponding authors.
- F. Rosatelli
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, 00044, Frascati, Italy
- A. Russo
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, 00044, Frascati, Italy
- G. Saviano
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, 00044, Frascati, Italy; Dipartimento di Ingegneria Chimica, Materiali e Ambiente, Sapienza Università di Roma, 00185, Roma, Italy
- N.J.C. Spooner
- Department of Physics and Astronomy, University of Sheffield, Sheffield, S3 7RH, UK
- R. Tesauro
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, 00044, Frascati, Italy
- S. Tomassini
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, 00044, Frascati, Italy
- S. Torelli
- Gran Sasso Science Institute, 67100, L'Aquila, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67100, Assergi, Italy
- J.M.F. dos Santos
- LIBPhys, Department of Physics, University of Coimbra, 3004-516 Coimbra, Portugal
- Journal volume & issue
-
Vol. 855
p. 138759
Abstract
CYGNO is an international collaboration with the aim of operating a Image 3 optical time projection chamber (TPC) for directional Dark Matter (DM) searches and solar neutrino spectroscopy, to be deployed at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS). A Image 1/Image 2 (60/40) mixture is used, along with a triple Gas Electron Multiplier (GEM) cascade to amplify the ionisation signal. The scintillation produced in the electron avalanches is read out using a scientific complementary metal–oxide–semiconductor (sCMOS) camera. This solution has proven to provide very high sensitivity to interactions in the few Image 4 energy range. The inclusion of a hydrogen-based gas will offer an even lighter target, resulting in a more efficient energy transfer in a DM particle collision, and consequently, a lower detection threshold. Additionally, longer track lengths of light nuclear recoils are easier to detect with a clearer direction. However, the addition of such gas will contribute to quenching the scintillation, jeopardizing the TPC performance. In this work, we demonstrate the feasibility of adding 1% to 5% isobutane to the Image 1/Image 2 (60/40) mixture by measuring the respective absolute scintillation yield output. The overall scintillation produced in the charge avalanches is not drastically suppressed by quenching due to the isobutane addition. The presence of Penning transfer from excited He atoms to isobutane molecules increases the number of electrons in the avalanches, partially compensating for the loss of scintillation due to quenching. For the highest applied GEM voltage, the total number of photons produced in the avalanche per Image 4 deposited in the absorption region presents a decrease of only a factor of about three, from 2.30(20)×104 to 8.2(4)×103 Image 5, as the isobutane content increases from 0 to 5%. The quantification of the visible component of the scintillation shows that isobutane quenches both visible and ultraviolet (UV) photons emitted by Image 1/Image 2.
