Searching for Dark Particles with Quantum Optics

We propose a way to use optical tools from quantum imaging and quantum communication to search for physics beyond the standard model. Spontaneous parametric down-conversion (SPDC) is a commonly used source of entangled photons in which pump photons convert to a signal-idler pair. We propose to search for "dark-SPDC"(dSPDC) events in which a new dark-sector particle replaces the idler. Though it does not interact, the presence of a dark particle can be inferred by the properties of the signal photon. Examples of dark states include axionlike particles and dark photons. We show that the presence of an optical medium opens the phase space of the down-conversion process, or decay, which would be forbidden in a vacuum. Search schemes are proposed that employ optical imaging and/or spectroscopy of the signal photons. The signal rates in our proposal scales with the second power of the small coupling to new physics, as opposed to light-shining-through-wall experiments, the signal of which scales with coupling to the fourth power. We analyze the characteristics of the optical media needed to enhance dSPDC and estimate the rate.Fil: Estrada, J.. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados UnidosFil: Harnik, R.. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados UnidosFil: Rodrigues Ferreira Maltez, Dario Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentina. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados UnidosFil: Senger, M.. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Universitat Zurich; Suiz

Radioluminescent Ionic Liquids: Designer Materials for Detecting and Quantifying Ionizing Radiation

A designed radioluminescent ionic liquid (RadIL), composed of a single imidazolium cation and two different fluorescent anions, is presented. The material allows the conversion of the energy released by energetic charged particles into visible light by radiofluorescence. Its capability in detecting and in quantifying alpha and beta particles was proved by its use as a solvent in liquid scintillation counting. A keynote of this performance is that its radioluminescence yield strongly depends on temperature. This feature represents a clear advantage compared with common commercial scintillators composed of organic volatile solvents that cannot be usually heated. The temperature dependence of the radioluminescent material allows the disentangling of the Cherenkov and radiofluorescence contributions emerging from samples containing one or more radionuclides. This property can be used for alpha/beta quantification in radionuclide mixtures, following a precalibration of the material response to each radionuclide present in the blend. This RadIL represents the first precedent of an innovative family of luminescent ILs to be developed. The rational design of these materials opens interesting possibilities of real-time quantifications of fission products during the reprocessing of spent nuclear fuels.Fil: Rodrigues Ferreira Maltez, Dario Pablo. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Seguridad Nuclear y Ambiente. Gerencia de Química (CAC); Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; ArgentinaFil: Sarmiento, Gabriela Pabla. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Seguridad Nuclear y Ambiente. Gerencia de Química (CAC); ArgentinaFil: Krimer, Nicolas Ivan. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Seguridad Nuclear y Ambiente. Gerencia de Química (CAC); ArgentinaFil: Mirenda, Martín. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Seguridad Nuclear y Ambiente. Gerencia de Química (CAC); Argentin

Standardization of F-18 by digital b-(LS)-g coincidence counting

The nuclide 18F disintegrates to 18O by β + emission (96.86%) and electron capture (3.14%) with a half-life of 1.8288 h. It is widely used in nuclear medicine for positron emission tomography (PET). Because of its short half-life this nuclide requires the development of fast measuring methods to be standardized. The combination of LSC methods with digital techniques proves to be a good alternative to get low uncertainties for this, and other, short lived nuclides. A radioactive solution of 18F has been standardized by coincidence counting with a LSC, using the logical sum of double coincidences in a TDCR array and a NaI scintillation detector. The results show good consistency with other techniques like 4πγ and LSC.Fil: Rodrigues Ferreira Maltez, Dario Pablo. Comision Nacional de Energia Atomica. Gerencia de Area de Aplicaciones de la Tecnología Nuclear. Gerencia D/aplicaciones y Tec de Radioisotopos; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Balpardo, Christian Guillermo. Comision Nacional de Energia Atomica. Gerencia de Area de Aplicaciones de la Tecnología Nuclear. Gerencia D/aplicaciones y Tec de Radioisotopos; ArgentinaFil: Cassette, P.. Laboratoire National Henri Becquerel; FranciaFil: Arenillas, Pablo. Comision Nacional de Energia Atomica. Gerencia de Area de Aplicaciones de la Tecnología Nuclear. Gerencia D/aplicaciones y Tec de Radioisotopos; ArgentinaFil: Capoulat, Maria Eugenia. Comision Nacional de Energia Atomica. Gerencia de Area de Aplicaciones de la Tecnología Nuclear. Gerencia D/aplicaciones y Tec de Radioisotopos; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Ceruti, Gabriela. Comision Nacional de Energia Atomica. Gerencia de Area de Aplicaciones de la Tecnología Nuclear. Gerencia D/aplicaciones y Tec de Radioisotopos; ArgentinaFil: Garcia Toraño, Eduado. Laboratorio de Metrología de Radiaciones Ionizantes; Españ

Charge-Collection Efficiency in Back-Illuminated Charge-Coupled Devices

Low-noise fully depleted charge-coupled devices have been identified as a unique tool for dark-matter searches, low-energy neutrino physics, and x-ray detection. The charge-collection efficiency (CCE) for these detectors is a critical performance parameter for current and future experiments. We present a technique to characterize the CCE in back-illuminated CCDs based on soft x rays. This technique is used to study two different detector designs. The results demonstrate the importance of the backside processing for the detection of charge packages near threshold, showing that a recombination layer of a few microns significantly distorts the low-energy spectrum. The studies demonstrate that the region of partial charge collection can be reduced to a thickness of less than 1μm with adequate backside processing.Fil: Fernández Moroni, Guillermo. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados UnidosFil: Andersson, Kevin. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentina. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados UnidosFil: Botti, Ana Martina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Estrada, Juan. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados UnidosFil: Rodrigues Ferreira Maltez, Dario Pablo. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados Unidos. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Tiffenberg, Javier Sebastian. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados Unidos. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

Application of the accelerator mass spectrometry technique to the study of the marine sediments dynamics

Utilizando la técnica de Espectrometría de Masas con Aceleradores se ha determinado la relación entre el radionucleido 10Be (T½ = 1,39 Ma) y su isótopo estable 9Be en siete muestras de sedimentos submarinos. Estas muestras, con relaciones isotópicas 10Be/9Be del orden de 10^-8, constituyen un primer perfil de 275 m de profundidad cercano al punto de contacto entre las placas tectónicas de Nazca, Antártica y Sudamericana. Debido al decaimiento del 10Be, su concentración disminuye con la edad del sedimento, la cual se espera que aumente linealmente con la profundidad. Sin embargo, en este trabajo se encontraron aumentos en la concentración de 10Be entre los 100 y 150 metros y entre los 200 y 250 metros de profundidad. Este resultado es consistente con un proceso de plegamiento de los sedimentos provocado por la subducción de la placa tectónica de Nazca.Using the accelerator mass spectrometry technique, the ratio between the radionuclide 10Be (T½ = 1.39 Ma) and its stable isotope 9 Be in seven submarine sediment samples has been determined. These samples, with 10Be/9 Be isotopic ratios of the order of 10-8, constitute a first 275 m-deep profile near the point where Nazca, Antarctica and South American tectonic plates join each other. Due to the decay of 10Be, its concentration decreases with the age of the sediment, which is expected to increase linearly with the depth. However, in this study we found increments in the 10Be concentration between 100 and 150 meters and between 200 and 250 meters of depth. This result is consistent with a sediments plication process produced by subduction of the Nazca tectonic plate.Fil: Rodrigues Ferreira Maltez, Dario Pablo. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Korschinek, G.. Technische Universitat München; AlemaniaFil: Merchel, S.. Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf; AlemaniaFil: Rugel, G.. Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf; AlemaniaFil: Arazi, Andres. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; ArgentinaFil: Martí, Guillermo Virginio. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; Argentin

Ionic liquids as solvents for liquid scintillation technology: Čerenkov counting with 1-Butyl-3-Methylimidazolium Chloride

We report the detection of the Čerenkov luminescence after the incorporation of a few droplets of a physiological solution of 2-deoxi-2(18F)fluorine-d-glucose into the ionic liquid 1-Butyl-3-Methylimidazolium Chloride (BmimCl). The phenomenon is attributed to the β+ particles having energy above the threshold energy value for the Čerenkov radiation in this medium. The presence of another type of radiation that could eventually cause coincidences in the photodetectors was safely discarded. We show that this property serves to determine the activity of a 18F solution by means of the novel TDCR–Čerenkov technique. The results were compared with those obtained from the classic TDCR scintillation method using a commercial scintillation cocktail. The activity values obtained from both methods were found to be virtually identical within the experimental uncertainties. The fact that high energy β particles in BmimCl generates Čerenkov photons makes this ionic liquid a promising compound for future research in detection and quantification of ionizing radiation, and it provides a potential alternative for applications in nuclear technology.Fil: Mirenda, Martin. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia Química. CAC; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Rodrigues Ferreira Maltez, Dario Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; ArgentinaFil: Arenillas, Pablo. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Ezeiza; ArgentinaFil: Gutkowski, Karin. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia Química. CAC; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

Infrared Photon-Number-Resolving Imager Using a Skipper Charge-Coupled Device

Imaging in a broad light-intensity regime with a high signal-to-noise ratio is a key capability in fields as diverse as quantum metrology and astronomy. Achieving high signal-to-noise ratios in quantum imaging leads to surpassing the classical limit in parameter estimation. In astronomical detection, the search for habitable exoplanets demands imaging of atmospheres in the infrared to look for biosignatures. These optical applications are hampered by detection noise, which critically limits their potential, and thus demands photon-number and spatial-resolution detectors. Here we report an imaging device in the infrared wavelength range able to arbitrarily reduce the readout noise. We built a measured exposure skipper-CCD sensor instrument equipped with a thick back-illuminated sensor, with photon-number-resolving capability in a wide dynamic range, spatial resolution, high quantum efficiency in the near-infrared and ultralow dark counts. This device allows us to image objects in a broad range of intensities within the same frame and, by reducing the readout noise to less than 0.2e-, to distinguish even those shapes with less than two photons per pixel, unveiling what was previously hidden in the noise. These results pave the way for building high-standard infrared imagers based on skipper CCDs.Fil: Pears Stefano, Quimey Martín. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; ArgentinaFil: Magnoni, Agustina Gabriela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Ministerio de Defensa. Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa; ArgentinaFil: Estrada, J.. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados UnidosFil: Iemmi, Claudio César. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; ArgentinaFil: Rodrigues Ferreira Maltez, Dario Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; ArgentinaFil: Tiffenberg, J.. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados Unido

Accretion rate of extraterrestrial 41Ca in Antarctic snow samples

Interplanetary Dust Particles (IDPs) are small grains, generally less than a few hundred micrometers in size. Their main source is the Asteroid Belt, located at 3 AU from the Sun, between Mars and Jupiter. During their flight from the Asteroid Belt to the Earth they are irradiated by galactic and solar cosmic rays (GCR and SCR), thus radionuclides are formed, like 41Ca and 53Mn. Therefore, 41Ca (T1/2 = 1.03 × 105 yr) can be used as a key tracer to determine the accretion rate of IDPs onto the Earth because there are no significant terrestrial sources for this radionuclide. The first step of this study consisted to calculate the production rate of 41Ca in IDPs accreted by the Earth during their travel from the Asteroid Belt. This production rate, used in accordance with the 41Ca/40Ca ratios that will be measured in snow samples from the Antarctica will be used to calculate the amount of extraterrestrial material accreted by the Earth per year. There challenges for this project are, at first, the much longer time for the flight needed by the IDPs to travel from the Asteroid Belt to the Earth in comparison with the 41Ca half-life yields an early saturation for the 41Ca/40Ca ratio, and second, the importance of selecting the correct sampling site to avoid a high influx of natural 40Ca, preventing dilution of the 41Ca/40Ca ratio, the quantity measured by AMS.Fil: Gómez Guzmán, J. M.. Technische Universitat München; AlemaniaFil: Bishop, S.. Technische Universitat München; AlemaniaFil: Faestermann, T.. Technische Universitat München; AlemaniaFil: Famulok, N.. Technische Universitat München; AlemaniaFil: Fimiani, Leticia. Technische Universitat München; AlemaniaFil: Hain, K.. Technische Universitat München; AlemaniaFil: Jahn, S.. Technische Universitat München; AlemaniaFil: Korschinek, G.. Technische Universitat München; AlemaniaFil: Ludwig, P.. Technische Universitat München; AlemaniaFil: Rodrigues Ferreira Maltez, Dario Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; Argentin

Assessment of 53Mn deposition on Earth via accelerator mass spectrometry

The 53Mn flux onto Earth is a quantity relevant for different extraterrestrial and astrophysical questions. It is a proxy for related fluxes, such as supernova-produced material or interplanetary dust particles. In this work, we performed a first attempt to assess the 53Mn flux by measuring the 53Mn/10Be isotopic ratio in a 1400 L sample of molten Antarctic snow by AMS (Accelerator Mass Spectrometry). Using the 10Be production rate in the atmosphere, an upper limit of 5.5 × 103 atoms cm−2 yr−1 was estimated for the deposition of extraterrestrial 53Mn. This result is compatible with one of the two discrepant values existing in the literature.Fil: Rodrigues Ferreira Maltez, Dario Pablo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Negri, Agustín E.. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Investigación en Ingeniería Ambiental; ArgentinaFil: Balpardo, Christian Guillermo. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Ezeiza; ArgentinaFil: Arazi, Andres. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Faestermann, Thomas. Technische Universität München; AlemaniaFil: Fernandez Niello, Jorge Oscar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Investigación en Ingeniería Ambiental; ArgentinaFil: Fimiani, Leticia. Technische Universität München; AlemaniaFil: Gómez Guzmán, José Manuel. Technische Universität München; AlemaniaFil: Hain, Karin. Technische Universität München; AlemaniaFil: Korschinek, Gunther. Technische Universität München; AlemaniaFil: Ludwig, Peter. Technische Universität München; AlemaniaFil: Marti, Guillermo V.. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentin

Breakup threshold anomaly in the elastic scattering of the 9Be + 80Se system

Elastic scattering angular distributions for the 9Be + 80Se system were measured at eleven energies from below to above the Coulomb barrier. The experimental elastic scattering cross sections were analyzed within the framework of the optical model to study the energy dependence of the potential. Two different potentials were used: an energy-dependent phenomenological Woods-Saxon potential and a double folding São Paulo potential. For these two potentials, the energy dependence of the real and imaginary strengths shows consistent with the presence of the breakup threshold anomaly. An alternative method is proposed for calculating the dispersion relation between the real and imaginary parts of the optical potential based on bivariate random sampling obtained from the covariance matrix of the adjusted experimental angular distributions.Fil: Gollan Scilipotti, Fernando Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; ArgentinaFil: Abriola, Daniel Hugo. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; ArgentinaFil: Arazi, Andres. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Capurro, Oscar Ángel. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; ArgentinaFil: Cardona, Maria Angelica. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: de Barbará, Ezequiel. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; ArgentinaFil: Hojman, Daniel Leonardo. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Martí, Guillermo Virginio. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; ArgentinaFil: Pacheco, Alberto Jorge. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Rodrigues Ferreira Maltez, Dario Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; ArgentinaFil: Testoni, Jorge Eduardo. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia Física (Centro Atómico Constituyentes). Proyecto Tandar; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin