The CYGNO project aims to study rare events, as low-mass (few GeV) Dark Matter (DM) particle or solar neutrino interactions, exploiting the approach of the optical readout of the scintillation light produced in the amplification in a multiple Gas Electron Multiplier (GEM) structure, of the primary ionization originated in large volume Time Projection Chamber (TPCs). The volume is filled with an He:CF4 gas mixture at atmospheric pressure. The 3D topology, and therefore direction of the recoils, is reconstructed thanks to the combined use of high-granularity, high sensitivity sCMOS cameras, for the precise tracking of the projection of the recoils on the GEM plane, and of fast light sensors in order to obtain the coordinate perpendicular to the camera plane. To conclude the R&D phase, the 50 L prototype, called Long Imaging ModulE (LIME), was moved underground at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in order to study the performance of the CYGNO experimental approach in a low background environment and to assess the contributions to the background from different sources, also comparing with Monte Carlo simulations. Stability studies and the effects of environmental condition on the light yield will be discussed, focusing on the effect of humidity on the detector response and stability amount and rate of self-sustaining micro-discharges. This is a crucial step towards the development of a large demonstrator.

Abstract Photoelectron signal amplification in gas photomultipliers (GPMs) is achieved through charge avalanche development in the holes of a cascade of hole-type microperforated foils. When a voltage difference is applied between the metal film electrodes that are deposited on both surfaces of those foils, an electric field with a high intensity is established inside the holes. As a consequence, each electron entering those holes produces an electron avalanche that emerges from the other side of the holes. A cascade of few foils is necessary for a single primary electron to produce a final avalanche intense enough to be read out, in the anode electrode, above the electronic noise. We propose the Photon Induced Scintillation Amplifier (PISA), where the photoelectron signal amplification is obtained by reading out the photon scintillation produced in the charge avalanches of solely one Micro-Hole-and-Strip-Plate-type microstructure with SiPMs. The optical readout has the advantage of having the extra gain from the photosensor and is less sensitive to electronic noise. A large photosensor gain produces large output signals that can travel over long distances without significant degradation. This allows for the readout electronics to be placed away from the photosensor and, thus, from the detector sensitive volume. The scintillation readout plane can be made of a 2D-array of SiPMs, with size and pitch in accordance with the needed scintillation level and position resolution. A first basic prototype was assembled to present a proof-of-principle of the PISA concept.

CYGNO is an international collaboration with the aim of operating a 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 / (60/40) mixture is used, along with a triple Gas Electron Multiplier (GEM) cascade to amplify the ionization 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 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 / (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 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 , 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 /.