Electroluminescence pulse shape and electron diffusion in liquid argon measured in a dual-phase TPC

被引:17
作者
Agnes, P. [16 ]
Albuquerque, I. F. M. [46 ]
Alexander, T. [34 ]
Alton, A. K. [4 ]
Asner, D. M. [34 ,48 ]
Ave, M. P. [46 ]
Back, H. O. [34 ]
Baldin, B. [12 ]
Batignani, G. [32 ,33 ]
Biery, K. [12 ]
Bocci, V. [38 ]
Bonfini, G. [2 ]
Bonivento, W. [7 ]
Bossa, M. [2 ,3 ]
Bottino, B. [13 ,14 ]
Budano, F. [36 ,37 ]
Bussino, S. [36 ,37 ]
Cadeddu, M. [7 ,8 ]
Cadoni, M. [7 ,8 ]
Calaprice, F. [35 ]
Caminata, A. [14 ]
Canci, N. [2 ,16 ]
Candela, A. [2 ]
Caravati, M. [7 ,8 ]
Cariello, M. [14 ]
Carlini, M. [2 ]
Carpinelli, M. [10 ,40 ]
Catalanotti, S. [27 ,28 ]
Cataudella, V. [27 ,28 ]
Cavalcante, P. [2 ,47 ]
Cavuoti, S. [27 ,28 ]
Chepurnov, A. [26 ]
Cicalo, C. [7 ]
Cocco, A. G. [27 ]
Covone, G. [27 ,28 ]
D'Angelo, D. [24 ,25 ]
D'Incecco, M. [2 ]
D'Urso, D. [10 ,40 ]
Davini, S. [14 ]
De Candia, A. [27 ,28 ]
De Cecco, S. [39 ]
De Deo, M. [2 ]
De Filippis, G. [27 ,28 ]
De Rosa, G. [27 ,28 ]
De Vincenzi, M. [36 ,37 ]
Demontis, P. [10 ,18 ,40 ]
Derbin, A. V. [29 ]
Devoto, A. [7 ,8 ]
Di Eusanio, F. [35 ]
Di Pietro, G. [2 ,24 ]
机构
[1] Univ Paris Diderot, USPC, Obs Paris, APC,CNRS,CEA,Irfu,IN2P3, F-75205 Paris, France
[2] INFN Lab Nazl Gran Sasso, I-67100 Assergi, AQ, Italy
[3] Gran Sasso Sci Inst, I-67100 Laquila, Italy
[4] Augustana Univ, Dept Phys, Sioux Falls, SD 57197 USA
[5] Belgorod Natl Res Univ, Radiat Phys Lab, Belgorod 308007, Russia
[6] Black Hills State Univ, Sch Nat Sci, Spearfish, SD 57799 USA
[7] INFN Cagliari, I-09042 Cagliari, Italy
[8] Univ Cagliari, Dept Phys, I-09042 Cagliari, Italy
[9] Univ Estadual Campinas, Inst Phys, BR-13083 Campinas, SP, Brazil
[10] INFN Lab Nazl Sud, I-95123 Catania, Italy
[11] Univ Enna Kore, Engn & Architecture Fac, I-94100 Enna, Italy
[12] Fermilab Natl Accelerator Lab, POB 500, Batavia, IL 60510 USA
[13] Univ Genoa, Dept Phys, I-16146 Genoa, Italy
[14] INFN Genova, I-16146 Genoa, Italy
[15] Univ Hawaii, Dept Phys & Astron, Honolulu, HI 96822 USA
[16] Univ Houston, Dept Phys, Houston, TX 77204 USA
[17] Inst High Energy Phys, Beijing 100049, Peoples R China
[18] Interunivers Consortium Sci & Technol Mat, I-50121 Florence, Italy
[19] Joint Inst Nucl Res, Dubna 141980, Russia
[20] Jagiellonian Univ, M Smoluchowski Inst Phys, PL-30348 Krakow, Poland
[21] Kurchatov Inst, Natl Res Ctr, Moscow 123182, Russia
[22] Sorbonne Univ, Univ Pierre & Marie Curie, LPNHE, CNRS,IN2P3, F-75252 Paris, France
[23] Natl Res Nucl Univ MEPhI, Moscow 115409, Russia
[24] INFN Milano, I-20133 Milan, Italy
[25] Univ Milan, Dept Phys, I-20133 Milan, Italy
[26] Lomonosov Moscow State Univ, Skobeltsyn Inst Nucl Phys, Moscow 119991, Russia
[27] INFN Napoli, I-80126 Naples, Italy
[28] Univ Federico II Napoli, Dept Phys, I-80126 Naples, Italy
[29] St Petersburg Nucl Phys Inst, Gatchina 188350, Russia
[30] Univ Perugia, Chem Biol & Biotechnol Dept, I-06123 Perugia, Italy
[31] INFN Perugia, I-06123 Perugia, Italy
[32] INFN Pisa, I-56127 Pisa, Italy
[33] Univ Pisa, Dept Phys, I-56127 Pisa, Italy
[34] Pacific Northwest Natl Lab, Richland, WA 99352 USA
[35] Princeton Univ, Dept Phys, Princeton, NJ 08544 USA
[36] INFN Roma Tre, I-00146 Rome, Italy
[37] Univ Roma Tre, Dept Math & Phys, I-00146 Rome, Italy
[38] INFN Sez Roma, I-00185 Rome, Italy
[39] Sapienza Univ Roma, Dept Phys, I-00185 Rome, Italy
[40] Univ Sassari, Chem & Pharm Dept, I-07100 Sassari, Italy
[41] Temple Univ, Dept Phys, Philadelphia, PA 19122 USA
[42] Univ Calif Davis, Dept Phys, Davis, CA 95616 USA
[43] Univ Calif Los Angeles, Dept Phys & Astron, Los Angeles, CA 90095 USA
[44] Univ Massachusetts, Amherst Ctr Fundamental Interact, Amherst, MA 01003 USA
[45] Univ Massachusetts, Dept Phys, Amherst, MA 01003 USA
[46] Univ Sao Paulo, Inst Fis, BR-05508090 Sao Paulo, Brazil
[47] Virginia Tech, Blacksburg, VA 24061 USA
[48] Brookhaven Natl Lab, Upton, NY 11973 USA
[49] Stanford Univ, Stanford, CA 94305 USA
基金
巴西圣保罗研究基金会;
关键词
Electron diffusion constant; Liquid argon; Time projection chamber; TRANSPORT; XENON; AR-39;
D O I
10.1016/j.nima.2018.06.077
中图分类号
TH7 [仪器、仪表];
学科分类号
0804 ; 080401 ; 081102 ;
摘要
We report the measurement of the longitudinal diffusion constant in liquid argon with the DarkSide-50 dual-phase time projection chamber. The measurement is performed at drift electric fields of 100 V/cm, 150 V/cm, and 200 V/cm using high statistics Ar-39 decays from atmospheric argon. We derive an expression to describe the pulse shape of the electroluminescence signal (S2) in dual-phase TPCs. The derived S2 pulse shape is fit to events from the uppermost portion of the TPC in order to characterize the radial dependence of the signal. The results are provided as inputs to the measurement of the longitudinal diffusion constant D-L, which we find to be (4.12 +/- 0.09) cm(2)/s for a selection of 140 keV electron recoil events in 200 V/cm drift field and 2.8 kV/cm extraction field. To study the systematics of our measurement we examine data sets of varying event energy, field strength, and detector volume yielding a weighted average value for the diffusion constant of (4.09 +/- 0.12) cm(2)/s. The measured longitudinal diffusion constant is observed to have an energy dependence, and within the studied energy range the result is systematically lower than other results in the literature.
引用
收藏
页码:23 / 34
页数:12
相关论文
共 24 条
[1]   CALIS - A CALibration Insertion System for the DarkSide-50 dark matter search experiment [J].
Agnes, P. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Alexander, T. ;
Alton, A. K. ;
Asner, D. M. ;
Back, H. O. ;
Baldin, B. ;
Biery, K. ;
Bocci, V. ;
Bonfini, G. ;
Bonivento, W. ;
Bossa, M. ;
Bottino, B. ;
Brigatti, A. ;
Brodsky, J. ;
Budano, F. ;
Bussino, S. ;
Cadeddu, M. ;
Cadonati, L. ;
Cadoni, M. ;
Calaprice, F. ;
Canci, N. ;
Candela, A. ;
Caravati, M. ;
Cariello, M. ;
Carlini, M. ;
Catalanotti, S. ;
Cavalcante, P. ;
Chepurnov, A. ;
Cicalo, C. ;
Cocco, A. G. ;
Covone, G. ;
D'Angelo, D. ;
D'Incecco, M. ;
Davini, S. ;
De Cecco, S. ;
De Deo, M. ;
De Vincenzi, M. ;
Derbin, A. ;
Devoto, A. ;
Di Eusanio, F. ;
Di Pietro, G. ;
Dionisi, C. ;
Edkins, E. ;
Empl, A. ;
Fan, A. ;
Fiorillo, G. ;
Fomenko, K. ;
Forster, G. ;
Franco, D. .
JOURNAL OF INSTRUMENTATION, 2017, 12
[2]   The electronics, trigger and data acquisition system for the liquid argon time projection chamber of the DarkSide-50 search for dark matter [J].
Agnes, P. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Alexander, T. ;
Alton, A. K. ;
Arisaka, K. ;
Asner, D. M. ;
Ave, M. ;
Back, H. O. ;
Baldin, B. ;
Biery, K. ;
Bocci, V. ;
Bonfini, G. ;
Bonivento, W. ;
Bossa, M. ;
Bottino, B. ;
Brigatti, A. ;
Brodsky, J. ;
Budano, F. ;
Bussino, S. ;
Cadeddu, M. ;
Cadoni, M. ;
Calaprice, F. ;
Canci, N. ;
Candela, A. ;
Cao, H. ;
Caravati, M. ;
Cariello, M. ;
Carlini, M. ;
Catalanotti, S. ;
Cataudella, V. ;
Cavalcante, P. ;
Chepurnov, A. ;
Cicalo, C. ;
Cocco, A. G. ;
Covone, G. ;
Crippa, L. ;
D'Angelox, D. ;
D'Incecco, M. ;
Daviniqw, S. ;
de Candia, A. ;
De Cecco, S. ;
De Deo, M. ;
De Filippis, G. ;
De Rosa, G. ;
De Vincenzian, M. ;
Derbin, A. ;
Devotog, A. ;
Di Eusanio, F. ;
Dionisi, C. ;
Di Pietrow, G. .
JOURNAL OF INSTRUMENTATION, 2017, 12
[3]   Simulation of argon response and light detection in the DarkSide-50 dual phase TPC [J].
Agnes, P. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Alexander, T. ;
Alton, A. K. ;
Asner, D. M. ;
Back, H. O. ;
Biery, K. ;
Bocci, V. ;
Bonfini, G. ;
Bonivento, W. ;
Bossa, M. ;
Bottino, B. ;
Budano, F. ;
Bussino, S. ;
Cadeddu, M. ;
Cadoni, M. ;
Calaprice, F. ;
Canci, N. ;
Candela, A. ;
Caravati, M. ;
Cariello, M. ;
Carlini, M. ;
Catalanotti, S. ;
Cataudella, V. ;
Cavalcante, P. ;
Chepurnov, A. ;
Cicalo, C. ;
Cocco, A. G. ;
Covone, G. ;
D'Angelo, D. ;
D'Incecco, M. ;
Davini, S. ;
de Candia, A. ;
De Cecco, S. ;
De Deo, M. ;
De Filippis, G. ;
De Vincenzi, M. ;
Derbin, A. V. ;
De Rosa, G. ;
Devoto, A. ;
Di Eusanio, F. ;
Di Pietro, G. ;
Dionisi, C. ;
Edkins, E. ;
Empl, A. ;
Fan, A. ;
Fiorillo, G. ;
Fomenko, K. ;
Franco, D. ;
Gabriele, F. .
JOURNAL OF INSTRUMENTATION, 2017, 12
[4]   Effect of low electric fields on alpha scintillation light yield in liquid argon [J].
Agnes, P. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Alexander, T. ;
Alton, A. K. ;
Asner, D. M. ;
Back, H. O. ;
Baldin, B. ;
Biery, K. ;
Bocci, V. ;
Bonfini, G. ;
Bonivento, W. ;
Bossa, M. ;
Bottino, B. ;
Brigatti, A. ;
Brodsky, J. ;
Budano, F. ;
Bussino, S. ;
Cadeddu, M. ;
Cadoni, M. ;
Calaprice, F. ;
Canci, N. ;
Candela, A. ;
Caravati, M. ;
Cariello, M. ;
Carlini, M. ;
Catalanotti, S. ;
Cavalcante, P. ;
Chepurnov, A. ;
Cicalo, C. ;
Cocco, A. G. ;
Covone, G. ;
D'Angelo, D. ;
D'Incecco, M. ;
Davini, S. ;
De Cecco, S. ;
De Deo, M. ;
De Vincenzi, M. ;
Derbin, A. ;
Devoto, A. ;
Di Eusanio, F. ;
Di Pietro, G. ;
Dionisi, C. ;
Edkins, E. ;
Empl, A. ;
Fan, A. ;
Fiorillo, G. ;
Fomenko, K. ;
Forster, G. ;
Franco, D. ;
Gabriele, F. .
JOURNAL OF INSTRUMENTATION, 2017, 12
[5]   The electronics and data acquisition system for the DarkSide-50 veto detectors [J].
Agnes, P. ;
Agostino, L. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Alexander, T. ;
Alton, A. K. ;
Arisaka, K. ;
Back, H. O. ;
Baldin, B. ;
Biery, K. ;
Bonfini, G. ;
Bossa, M. ;
Bottino, B. ;
Brigatti, A. ;
Brodsky, J. ;
Budano, F. ;
Bussino, S. ;
Cadeddu, M. ;
Cadoni, M. ;
Calaprice, F. ;
Canci, N. ;
Candela, A. ;
Cao, H. ;
Cariello, M. ;
Carlini, M. ;
Catalanotti, S. ;
Cavalcante, P. ;
Chepurnov, A. ;
Cocco, A. G. ;
Covone, G. ;
Crippa, L. ;
D'Angelo, D. ;
D'Incecco, M. ;
Davini, S. ;
De Cecco, S. ;
De Deo, M. ;
De Vincenzi, M. ;
Derbin, A. ;
Devoto, A. ;
Di Eusanio, F. ;
Di Pietro, G. ;
Edkins, E. ;
Empl, A. ;
Fan, A. ;
Fiorillo, G. ;
Fomenko, K. ;
Foster, G. ;
Franco, D. ;
Gabriele, F. ;
Galbiati, C. ;
Giganti, C. .
JOURNAL OF INSTRUMENTATION, 2016, 11
[6]   The veto system of the DarkSide-50 experiment [J].
Agnes, P. ;
Agostino, L. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Alexandere, T. ;
Alton, A. K. ;
Arisaka, K. ;
Back, H. O. ;
Baldin, B. ;
Biery, K. ;
Bonfini, G. ;
Bossa, M. ;
Bottino, B. ;
Brigatti, A. ;
Brodsky, J. ;
Budano, F. ;
Bussino, S. ;
Cadeddu, M. ;
Cadonati, L. ;
Cadoni, M. ;
Calaprice, F. ;
Canci, N. ;
Candela, A. ;
Cao, H. ;
Cariello, M. ;
Carlini, M. ;
Catalanotti, S. ;
Cavalcante, P. ;
Chepurnov, A. ;
Cocco, A. G. ;
Covone, G. ;
Crippa, L. ;
D'Angelo, D. ;
D'Incecco, M. ;
Davini, S. ;
De Cecco, S. ;
De Deo, M. ;
De Vincenzi, M. ;
Derbin, A. ;
Devoto, A. ;
Di Eusanio, F. ;
Di Pietro, G. ;
Edkins, E. ;
Empl, A. ;
Fan, A. ;
Fiorillo, G. ;
Fomenko, K. ;
Foster, G. ;
Franco, D. ;
Gabriele, F. ;
Galbiati, C. .
JOURNAL OF INSTRUMENTATION, 2016, 11
[7]   Results from the first use of low radioactivity argon in a dark matter search [J].
Agnes, P. ;
Agostino, L. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Alexander, T. ;
Alton, A. K. ;
Arisaka, K. ;
Back, H. O. ;
Baldin, B. ;
Biery, K. ;
Bonfini, G. ;
Bossa, M. ;
Bottino, B. ;
Brigatti, A. ;
Brodsky, J. ;
Budano, F. ;
Bussino, S. ;
Cadeddu, M. ;
Cadonati, L. ;
Cadoni, M. ;
Calaprice, F. ;
Canci, N. ;
Candela, A. ;
Cao, H. ;
Cariello, M. ;
Carlini, M. ;
Catalanotti, S. ;
Cavalcante, P. ;
Chepurnov, A. ;
Cocco, A. G. ;
Covone, G. ;
Crippa, L. ;
D'Angelo, D. ;
D'Incecco, M. ;
Davini, S. ;
De Cecco, S. ;
De Deo, M. ;
De Vincenzi, M. ;
Derbin, A. ;
Devoto, A. ;
Di Eusanio, F. ;
Di Pietro, G. ;
Edkins, E. ;
Empl, A. ;
Fan, A. ;
Fiorillo, G. ;
Fomenko, K. ;
Forster, G. ;
Franco, D. ;
Gabriele, F. ;
Galbiati, C. .
PHYSICAL REVIEW D, 2016, 93 (08)
[8]   First results from the DarkSide-50 dark matter experiment at Laboratori Nazionali del Gran Sasso [J].
Agnes, P. ;
Alexander, T. ;
Alton, A. ;
Arisaka, K. ;
Back, H. O. ;
Baldin, B. ;
Biery, K. ;
Bonfini, G. ;
Bossa, M. ;
Brigatti, A. ;
Brodsky, J. ;
Budano, F. ;
Cadonati, L. ;
Calaprice, F. ;
Canci, N. ;
Candela, A. ;
Cao, H. ;
Cariello, M. ;
Cavalcante, P. ;
Chavarria, A. ;
Chepurnov, A. ;
Cocco, A. G. ;
Crippa, L. ;
D'Angelo, D. ;
D'Incecco, M. ;
Davini, S. ;
De Deo, M. ;
Derbin, A. ;
Devoto, A. ;
Di Eusanio, F. ;
Di Pietro, G. ;
Edkins, E. ;
Empl, A. ;
Fan, A. ;
Fiorillo, G. ;
Fomenko, K. ;
Forster, G. ;
Franco, D. ;
Gabriele, F. ;
Galbiati, C. ;
Goretti, A. ;
Grandi, L. ;
Gromov, M. ;
Guan, M. Y. ;
Guardincerri, Y. ;
Hackett, B. ;
Herner, K. ;
Hungerford, E. V. ;
Ianni, Al. ;
Ianni, An. .
PHYSICS LETTERS B, 2015, 743 :456-466
[9]   Luminescence quenching of the triplet excimer state by air traces in gaseous argon [J].
Amsler, C. ;
Boccone, V. ;
Buechler, A. ;
Chandrasekharan, R. ;
Regenfus, C. ;
Rochet, J. .
JOURNAL OF INSTRUMENTATION, 2008, 3 (02)
[10]  
Atrazhev VM, 2005, ICDL: 2005 IEEE International Conference on Dielectric Liquids, P329