The $\bar{K}N$ system at threshold is a sensitive testing ground for low energy QCD, especially for the explicit chiral symmetry breaking. Therefore, we have measured the $K$-series x rays of kaonic hydrogen atoms at the DA$\Phi$NE electron-positron collider of Laboratori Nazionali di Frascati, and have determined the most precise values of the strong-interaction energy-level shift and width of the $1s$ atomic state. As x-ray detectors, we used large-area silicon drift detectors having excellent energy and timing resolution, which were developed especially for the SIDDHARTA experiment. The shift and width were determined to be $\epsilon_{1s} = -283 \pm 36 \pm 6 {(syst)}$ eV and $\Gamma_{1s} = 541 \pm 89 {(stat)} \pm 22 {(syst)}$ eV, respectively. The new values will provide vital constraints on the theoretical description of the low-energy $\bar{K}N$ interaction.

Abstract Doping of liquid argon TPCs (LArTPCs) with a small concentration of xenon is a technique for light-shifting and facilitates the detection of the liquid argon scintillation light. In this paper, we present the results of the first doping test ever performed in a kiloton-scale LArTPC. From February to May 2020, we carried out this special run in the single-phase DUNE Far Detector prototype (ProtoDUNE-SP) at CERN, featuring 720 t of total liquid argon mass with 410 t of fiducial mass. A 5.4 ppm nitrogen contamination was present during the xenon doping campaign. The goal of the run was to measure the light and charge response of the detector to the addition of xenon, up to a concentration of 18.8 ppm. The main purpose was to test the possibility for reduction of non-uniformities in light collection, caused by deployment of photon detectors only within the anode planes. Light collection was analysed as a function of the xenon concentration, by using the pre-existing photon detection system (PDS) of ProtoDUNE-SP and an additional smaller set-up installed specifically for this run. In this paper we first summarize our current understanding of the argon-xenon energy transfer process and the impact of the presence of nitrogen in argon with and without xenon dopant. We then describe the key elements of ProtoDUNE-SP and the injection method deployed. Two dedicated photon detectors were able to collect the light produced by xenon and the total light. The ratio of these components was measured to be about 0.65 as 18.8 ppm of xenon were injected. We performed studies of the collection efficiency as a function of the distance between tracks and light detectors, demonstrating enhanced uniformity of response for the anode-mounted PDS. We also show that xenon doping can substantially recover light losses due to contamination of the liquid argon by nitrogen.

The SIDDHARTA-2 collaboration has developed a novel X-ray detection system based on cadmium-zinc-telluride (CZT, CdZnTe), marking the first application of this technology at the DAΦNE electron-positron collider at INFN-LNF. This work aims to demonstrate the stability of the detectors’ performance in terms of linearity and resolution over short and long periods, thereby establishing their suitability for precise spectroscopic measurements within a collider environment. A reference calibration spectrum is presented in association with findings from assessments of linearity and resolution stability. Additionally, this study introduces a validated model of the response function of the detector. The relative deviations from the nominal values for the source transitions, obtained by fitting the entire spectrum with a background function and the previously introduced response function, are reported. Finally, a comparison of the calibration performance with and without beams circulating in the collider’s rings is presented. These promising results pave the way for applying CZT detectors in kaonic atom studies and, more generally, in particle and nuclear physics spectroscopy.

Abstract SIDDHARTA-2 is a state-of-the-art experiment designed to perform measurements of kaonic atoms, which are exotic atoms composed of a negatively charged kaon orbiting nucleus. These atoms constitute an exceptional probe for investigating the strong interaction in the non-perturbative regime involving strangeness. The experiment is installed at the DAΦNE electron-positron collider of the INFN National Laboratory of Frascati (INFN-LNF) in Italy, aiming to perform the first-ever measurement of the 2 p → 1s X-ray transitions in kaonic Deuterium, a crucial step towards determining the isospin-dependent antikaon-nucleon scattering lengths. Based on the experience gained with the previous SIDDHARTA experiment, which performed the most precise measurement of the kaonic Hydrogen 2 p → 1s X-ray transitions, the present apparatus has been upgraded with innovative X-Ray Silicon Drift Detectors (SDDs), distributed around a cryogenic gaseous target placed in a vacuum chamber at a short distance above the interaction region of the collider, two new veto systems and a charged kaon detector. The current work presents a comprehensive description of the SIDDHARTA-2 setup, including the optimization of its various components during the commissioning phase of the collider.