Results are reported from the complete salt phase of the Sudbury Neutrino Observatory experiment in which NaCl was dissolved in the D$_2$O target. The addition of salt enhanced the signal from neutron capture, as compared to the pure D$_2$O detector. By making a statistical separation of charged-current events from other types based on event-isotropy criteria, the effective electron recoil energy spectrum has been extracted. In units of $ 10^6$ cm$^{-2}$ s$^{-1}$, the total flux of active-flavor neutrinos from $^8$B decay in the Sun is found to be $4.94^{+0.21}_{-0.21}{(stat)}^{+0.38}_{-0.34}{(syst)}$ and the integral flux of electron neutrinos for an undistorted $^8$B spectrum is $1.68^{+0.06}_{-0.06}{(stat)}^{+0.08}_{-0.09}{(syst)}$; the signal from ($\nu_x$,e) elastic scattering is equivalent to an electron-neutrino flux of $2.35^{+0.22}_{-0.22}{(stat)}^{+0.15}_{-0.15}{(syst)}$. These results are consistent with those expected for neutrino oscillations with the so-called Large Mixing Angle parameters, and also with an undistorted spectrum. A search for matter-enhancement effects in the Earth through a possible day-night asymmetry in the charged-current integral rate is consistent with no asymmetry. Including results from other experiments, the best-fit values for two-neutrino mixing parameters are $\Delta m^2 = (8.0^{+0.6}_{-0.4}) \times 10^{-5}$ eV$^2$ and $\theta = 33.9 ^{+2.4}_{-2.2}$ degrees.

We report the results of a search for neutrinoless double-beta decay in a 9.8 kg yr exposure of (130)Te using a bolometric detector array, CUORE-0. The characteristic detector energy resolution and background level in the region of interest are 5.1±0.3 keV FWHM and 0.058±0.004(stat)±0.002(syst)counts/(keV kg yr), respectively. The median 90% C.L. lower-limit half-life sensitivity of the experiment is 2.9×10(24) yr and surpasses the sensitivity of previous searches. We find no evidence for neutrinoless double-beta decay of (130)Te and place a Bayesian lower bound on the decay half-life, T(1/2)(0ν)>2.7×10(24) yr at 90% C.L. Combining CUORE-0 data with the 19.75 kg yr exposure of (130)Te from the Cuoricino experiment we obtain T(1/2)(0ν)>4.0×10(24) yr at 90% C.L. (Bayesian), the most stringent limit to date on this half-life. Using a range of nuclear matrix element estimates we interpret this as a limit on the effective Majorana neutrino mass, m(ββ)<270-760 meV.

The amount of light produced by nuclear recoils in scintillating targets is strongly quenched compared to that produced by electrons. A precise understanding of the quenching factor is particularly interesting for weakly interacting massive particles (WIMP) searches and coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CEνNS) measurements since both rely on nuclear recoils, whereas energy calibrations are more readily accessible from electron recoils. There is a wide variation among the current measurements of the quenching factor in sodium iodide (NaI) crystals, especially below 10 keV, the energy region of interest for dark matter and CEνNS studies. A better understanding of the quenching factor in NaI(Tl) is of particular interest for resolving the decades-old puzzle in the field of dark matter between the null results of most WIMP searches and the claim for dark matter detection by the DAMA/LIBRA collaboration. In this work, we measured sodium and iodine quenching factors for five small NaI(Tl) crystals grown with similar thallium concentrations and growth procedures. Unlike previous experiments, multiple crystals were tested, with measurements made in the same experimental setup to control systematic effects. The quenching factors agree in all crystals we investigated, and both sodium and iodine quenching factors are smaller than those reported by DAMA/LIBRA. The dominant systematic effect was due to the electron equivalent energy calibration originating from the nonproportional behavior of the NaI(Tl) light yield at lower energies, potentially the cause for the discrepancies among the previous measurements. Published by the American Physical Society 2024

Abstract The CROSS experiment will search for neutrinoless double-beta decay using a specific mechanical structure to hold thermal detectors. The design of the structure was tuned to minimize the background contribution, keeping an optimal detector performance. A single module of the structure holds two scintillating bolometers (with a crystal size of 45 × 45 × 45 mm and a Ge slab facing the crystal's upper side) in the Cu frame, allowing for a modular construction of a large-scale array. Two designs are released: the initial Thick version contains around 15% of Cu over the crystal mass (lithium molybdate, LMO), while this ratio is reduced to ∼ 6% in a finer ( Slim ) design. Both designs were tested extensively at aboveground (IJCLab, France) and underground (LSC, Spain) laboratories. In particular, at LSC we used a pulse-tube-based CROSS facility to operate a 6-crystal array of LMOs enriched/depleted in 100 Mo. The tested LMOs show high spectrometric performance in both designs; notably, the measured energy resolution is 5–7 keV FWHM at 2615 keV γs, nearby the Q-value of 100 Mo (3034 keV). Due to the absence of a reflective cavity around LMOs, a low scintillation signal is detected by Ge bolometers: ∼ 0.3 keV (150 photons) for 1-MeV γ ( β ) LMO-event. Despite that, an acceptable separation between α and γ ( β ) events is achieved with most devices. The highest efficiency is reached with light detectors in the Thick design thanks to a lower baseline noise width (0.05–0.09 keV RMS) when compared to that obtained in the Slim version (0.10–0.35 keV RMS). Given the pivotal role of bolometric photodetectors for particle identification and random coincidences rejection, we will use the structure here described with upgraded light detectors, featuring thermal signal amplification via the Neganov-Trofimov-Luke effect, as also demonstrated in the present work.

In cryogenics, working together with cryocoolers, the thermal straps are a critical thermal element, since they thermally link the instrument with the cold source. In optical elements that work at cryogenic temperatures, the thermal path, and therefore the straps, must isolate them from the vibrations of the cryocoolers. Consequently, its stiffness is a characteristic to consider in the design. But, in the case of optical focal plane arrays, working at very low temperatures such as 50 mK, it can be resonant with the low frequency range of the cryocoolers, and its dissipation can break the superconducting state of the sensors, the basis of its functioning. It is therefore an undesired thermal effect derived from structural behavior. Design limitations impose the need for straps where stiffness is just as important as its conductance. The stiffness value needed is much lower than the one found in commercial straps. Therefore, this work highlights the design, and characterization tests of different strap prototypes in order to achieve the necessary resistivity and thermal conductivity for low cryogenic temperatures. The thermal straps were initially designed for the Cryostat facility for 2K Core Calibration (C2CC) a ground equipment for the ATHENA project (Advanced Telescope for High - ENergy Astrophysics, ESA).

The existence of dark matter in the universe is inferred from abundant astrophysical and cosmological observations. The Global Argon Dark Matter Collaboration (GADMC) aims to perform the searches for dark matter in the form of weakly interacting massive particles (WIMPs), whose collisions with argon nuclei would produce nuclear recoils with tens of keV energy. Argon has been considered an excellent medium for the direct detection of WIMPs as argon-based scintillation detectors can make use of pulse shape discrimination (PSD) to separate WIMP-induced nuclear recoil signals from electron recoil backgrounds with extremely high efficiency. However, argon-based direct dark matter searches must confront the presence of intrinsic 39 Ar as the predominant source of electron recoil backgrounds (it is a beta-emitter with an endpoint energy of 565 keV and half-life of 269 years). Even with PSD, the 39 Ar activity in atmospheric argon (AAr), mainly produced and maintained by cosmic ray-induced nuclear reactions, limits the ultimate size of argon-based detectors and restricts their ability to probe very-low-energy events. The discovery of argon from deep underground wells with significantly less 39 Ar than that in AAr was an important step in the development of direct dark matter detection experiments using argon as the active target. Thanks to pioneering research and successful R&amp;D, in 2012, the first 160 kg batch of underground argon (UAr) was extracted from a CO 2 well in Cortez, Colorado. The DarkSide-50 experiment at the Gran Sasso National Laboratory (LNGS) in Italy, the first liquid argon detector ever operated with a UAr target, demonstrated a ∼ 1,400 suppression of the 39 Ar activity with respect to the atmospheric argon. An even larger suppression is expected for 42 Ar (another intrinsic beta-emitter with the 42 K daughter isotope, also a beta-emitter) as its production is expected mainly in the upper atmosphere. Following the results of DarkSide-50, the GADMC initiated the UAr project for extraction from underground and cryogenic purification of 100 t of argon to be used as a target in the next-generation experiment DarkSide-20k. This paper contains a description of the Urania Plant in Cortez, Colorado, where UAr is extracted; the Aria Plant in Sardinia, Italy, an industrial-scale plant comprising a 350-m state-of-the-art cryogenic isotopic distillation column, designed for further purification of the extracted argon and further reduction of the isotopic abundance of 39 Ar; and DArT, a facility for UAr radiopurity qualification at the Canfranc Underground Laboratory (LSC), Spain. Moreover, the high radiopurity of UAr leads to other possible applications, for instance, for those neutrinoless double-beta decay experiments using argon as shielding material or, more generally, for all those activities on argon-based detectors in high-energy physics or nuclear physics, which will be briefly discussed.