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The Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE) is the most sensitive experiment searching for neutrinoless double-beta decay (0νββ) in 130Te. CUORE uses a cryogenic array of 988 TeO2 calorimeters operated at ∼10 mK with a total mass of 741 kg. To further increase the sensitivity, the detector response must be well understood. Here, we present a non-linear thermal model for the CUORE experiment on a detector-by-detector basis. We have examined both equilibrium and dynamic electro-thermal models of detectors by numerically fitting non-linear differential equations to the detector data of a subset of CUORE channels which are well characterized and representative of all channels. We demonstrate that the hot-electron effect and electric-field dependence of resistance in NTD-Ge thermistors alone are inadequate to describe our detectors' energy-dependent pulse shapes. We introduce an empirical second-order correction factor in the exponential temperature dependence of the thermistor, which produces excellent agreement with energy-dependent pulse shape data up to 6 MeV. We also present a noise analysis using the fitted thermal parameters and show that the intrinsic thermal noise is negligible compared to the observed noise for our detectors.
An energy-dependent electro-thermal response model of CUORE cryogenic calorimeter / Adams, D. Q.; Alduino, C.; Alfonso, K.; Avignone, F. T.; Azzolini, O.; Bari, G.; Bellini, F.; Benato, G.; Beretta, M.; Biassoni, M.; Branca, A.; Brofferio, C.; Bucci, C.; Camilleri, J.; Caminata, A.; Campani, A.; Canonica, L.; Cao, X. G.; Capelli, S.; Capelli, C.; Cappelli, L.; Cardani, L.; Carniti, P.; Casali, N.; Celi, E.; Chiesa, D.; Clemenza, M.; Copello, S.; Cremonesi, O.; Creswick, R. J.; D'Addabbo, A.; Dafinei, I.; Del Corso, F.; Dell'Oro, S.; Di Domizio, S.; Di Lorenzo, S.; Dompè, V.; Fang, D. Q.; Fantini, G.; Faverzani, M.; Ferri, E.; Ferroni, F.; Fiorini, E.; Franceschi, M. A.; Freedman, S. J.; Fu, S. H.; Fujikawa, B. K.; Ghislandi, S.; Giachero, A.; Gianvecchio, A.; Gironi, L.; Giuliani, A.; Gorla, P.; Gotti, C.; Gutierrez, T. D.; Han, K.; Hansen, E. V.; Heeger, K. M.; Huang, R. G.; Huang, H. Z.; Johnston, J.; Keppel, G.; Kolomensky, Yu. G.; Kowalski, R.; Li, M.; Liu, R.; Ma, L.; Ma, Y. G.; Marini, L.; Maruyama, R. H.; Mayer, D.; Mei, Y.; Morganti, S.; Napolitano, T.; Nastasi, M.; Nikkel, J.; Nones, C.; Norman, E. B.; Nucciotti, A.; Nutini, I.; O'Donnell, T.; Olmi, M.; Ouellet, J. L.; Pagan, S.; Pagliarone, C. E.; Pagnanini, L.; Pallavicini, M.; Pattavina, L.; Pavan, M.; Pessina, G.; Pettinacci, V.; Pira, C.; Pirro, S.; Pozzi, S.; Previtali, E.; Puiu, A.; Quitadamo, S.; Ressa, A.; Rosenfeld, C.; Sangiorgio, S.; Schmidt, B.; Scielzo, N. D.; Sharma, V.; Singh, V.; Sisti, M.; Speller, D.; Surukuchi, P. T.; Taffarello, L.; Terranova, F.; Tomei, C.; Vetter, K. J.; Vignati, M.; Wagaarachchi, S. L.; Wang, B. S.; Welliver, B.; Wilson, J.; Wilson, K.; Winslow, L. A.; Zimmermann, S.; Zucchelli, S.. - In: JOURNAL OF INSTRUMENTATION. - ISSN 1748-0221. - 17:11(2022). [10.1088/1748-0221/17/11/P11023]
An energy-dependent electro-thermal response model of CUORE cryogenic calorimeter
Adams, D. Q.;Alduino, C.;Alfonso, K.;Avignone, F. T.;Azzolini, O.;Bari, G.;Bellini, F.;Benato, G.;Beretta, M.;Biassoni, M.;Branca, A.;Brofferio, C.;Bucci, C.;Camilleri, J.;Caminata, A.;Campani, A.;Canonica, L.;Cao, X. G.;Capelli, S.;Capelli, C.;Cappelli, L.;Cardani, L.;Carniti, P.;Casali, N.;Celi, E.;Chiesa, D.;Clemenza, M.;Copello, S.;Cremonesi, O.;Creswick, R. J.;D'Addabbo, A.;Dafinei, I.;Del Corso, F.;Dell'Oro, S.;Di Domizio, S.;Di Lorenzo, S.;Dompè, V.;Fang, D. Q.;Fantini, G.;Faverzani, M.;Ferri, E.;Ferroni, F.;Fiorini, E.;Franceschi, M. A.;Freedman, S. J.;Fu, S. H.;Fujikawa, B. K.;Ghislandi, S.;Giachero, A.;Gianvecchio, A.;Gironi, L.;Giuliani, A.;Gorla, P.;Gotti, C.;Gutierrez, T. D.;Han, K.;Hansen, E. V.;Heeger, K. M.;Huang, R. G.;Huang, H. Z.;Johnston, J.;Keppel, G.;Kolomensky, Yu. G.;Kowalski, R.;Li, M.;Liu, R.;Ma, L.;Ma, Y. G.;Marini, L.;Maruyama, R. H.;Mayer, D.;Mei, Y.;Morganti, S.;Napolitano, T.;Nastasi, M.;Nikkel, J.;Nones, C.;Norman, E. B.;Nucciotti, A.;Nutini, I.;O'Donnell, T.;Olmi, M.;Ouellet, J. L.;Pagan, S.;Pagliarone, C. E.;Pagnanini, L.;Pallavicini, M.;Pattavina, L.;Pavan, M.;Pessina, G.;Pettinacci, V.;Pira, C.;Pirro, S.;Pozzi, S.;Previtali, E.;Puiu, A.;Quitadamo, S.;Ressa, A.;Rosenfeld, C.;Sangiorgio, S.;Schmidt, B.;Scielzo, N. D.;Sharma, V.;Singh, V.;Sisti, M.;Speller, D.;Surukuchi, P. T.;Taffarello, L.;Terranova, F.;Tomei, C.;Vetter, K. J.;Vignati, M.;Wagaarachchi, S. L.;Wang, B. S.;Welliver, B.;Wilson, J.;Wilson, K.;Winslow, L. A.;Zimmermann, S.;Zucchelli, S.
2022
Abstract
The Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE) is the most sensitive experiment searching for neutrinoless double-beta decay (0νββ) in 130Te. CUORE uses a cryogenic array of 988 TeO2 calorimeters operated at ∼10 mK with a total mass of 741 kg. To further increase the sensitivity, the detector response must be well understood. Here, we present a non-linear thermal model for the CUORE experiment on a detector-by-detector basis. We have examined both equilibrium and dynamic electro-thermal models of detectors by numerically fitting non-linear differential equations to the detector data of a subset of CUORE channels which are well characterized and representative of all channels. We demonstrate that the hot-electron effect and electric-field dependence of resistance in NTD-Ge thermistors alone are inadequate to describe our detectors' energy-dependent pulse shapes. We introduce an empirical second-order correction factor in the exponential temperature dependence of the thermistor, which produces excellent agreement with energy-dependent pulse shape data up to 6 MeV. We also present a noise analysis using the fitted thermal parameters and show that the intrinsic thermal noise is negligible compared to the observed noise for our detectors.
Cryogenic detectors; Detector modelling and simulations I (interaction of radiation with matter, interaction of photons with matter, interaction of hadrons with matter, etc); Double-beta decay detectors
01 Pubblicazione su rivista::01a Articolo in rivista
An energy-dependent electro-thermal response model of CUORE cryogenic calorimeter / Adams, D. Q.; Alduino, C.; Alfonso, K.; Avignone, F. T.; Azzolini, O.; Bari, G.; Bellini, F.; Benato, G.; Beretta, M.; Biassoni, M.; Branca, A.; Brofferio, C.; Bucci, C.; Camilleri, J.; Caminata, A.; Campani, A.; Canonica, L.; Cao, X. G.; Capelli, S.; Capelli, C.; Cappelli, L.; Cardani, L.; Carniti, P.; Casali, N.; Celi, E.; Chiesa, D.; Clemenza, M.; Copello, S.; Cremonesi, O.; Creswick, R. J.; D'Addabbo, A.; Dafinei, I.; Del Corso, F.; Dell'Oro, S.; Di Domizio, S.; Di Lorenzo, S.; Dompè, V.; Fang, D. Q.; Fantini, G.; Faverzani, M.; Ferri, E.; Ferroni, F.; Fiorini, E.; Franceschi, M. A.; Freedman, S. J.; Fu, S. H.; Fujikawa, B. K.; Ghislandi, S.; Giachero, A.; Gianvecchio, A.; Gironi, L.; Giuliani, A.; Gorla, P.; Gotti, C.; Gutierrez, T. D.; Han, K.; Hansen, E. V.; Heeger, K. M.; Huang, R. G.; Huang, H. Z.; Johnston, J.; Keppel, G.; Kolomensky, Yu. G.; Kowalski, R.; Li, M.; Liu, R.; Ma, L.; Ma, Y. G.; Marini, L.; Maruyama, R. H.; Mayer, D.; Mei, Y.; Morganti, S.; Napolitano, T.; Nastasi, M.; Nikkel, J.; Nones, C.; Norman, E. B.; Nucciotti, A.; Nutini, I.; O'Donnell, T.; Olmi, M.; Ouellet, J. L.; Pagan, S.; Pagliarone, C. E.; Pagnanini, L.; Pallavicini, M.; Pattavina, L.; Pavan, M.; Pessina, G.; Pettinacci, V.; Pira, C.; Pirro, S.; Pozzi, S.; Previtali, E.; Puiu, A.; Quitadamo, S.; Ressa, A.; Rosenfeld, C.; Sangiorgio, S.; Schmidt, B.; Scielzo, N. D.; Sharma, V.; Singh, V.; Sisti, M.; Speller, D.; Surukuchi, P. T.; Taffarello, L.; Terranova, F.; Tomei, C.; Vetter, K. J.; Vignati, M.; Wagaarachchi, S. L.; Wang, B. S.; Welliver, B.; Wilson, J.; Wilson, K.; Winslow, L. A.; Zimmermann, S.; Zucchelli, S.. - In: JOURNAL OF INSTRUMENTATION. - ISSN 1748-0221. - 17:11(2022). [10.1088/1748-0221/17/11/P11023]
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