A new hybrid gadolinium nanoparticles-loaded polymeric material for neutron detection in rare event searches
Authors: Acerbi F. , Adhikari P. , Agnes P. , Ahmad I. , Albergo S. , Albuquerque I.F. , Alexander T. , Alton A.K. , Amaudruz P. , Angiolilli M. , Aprile E. , Ardito R. , Atzori Corona M. , Auty D.J. , Ave M. , Avetisov I.C. , Azzolini O. , Back H.O. , Balmforth Z. , Barrado Olmedo A. , Barrillon P. , Batignani G. , Bhowmick P. , Bocci V. , Bonivento W. , Bottino B. , Boulay M.G. , Buchowicz A. , Bussino S. , Busto J. , Cadeddu M. , Cadoni M. , Calabrese R. , Camillo V. , Caminata A. , Canci N. , Capra A. , Caravati M. , Cárdenas-Montes M. , Cargioli N. , Carlini M. , Castellani A. , Castello P. , Cavalcante P. , Cavallo D. , Cebrian S. , Cela Ruiz J. , Chashin S. , Chepurnov A. , Cifarelli L. , Cintas D. , Citterio M. , Cleveland B. , Coadou Y. , Cocco V. , Colaiuda D. , Conde Vilda E. , Consiglio L. , Costa B.S. , Czubak M. , D'Aniello M. , D'Auria S. , Da Rocha Rolo M.D. , Darbo G. , Davini S. , De Cecco S. , De Guido G. , Dellacasa G. , Derbin A.V. , Devoto A. , Di Capua F. , Di Ludovico A. , Di Noto L. , Di Stefano P. , Dias L.K. , Díaz Mairena D. , Ding X. , Dionisi C. , Dolganov G. , Dordei F. , Dronik V. , Elersich A. , Ellingwood E. , Erjavec T. , Fernandez Diaz M. , Ficorella A. , Fiorillo G. , Franchini P. , Franco D. , Frandini Gatti H. , Frolov E. , Gabriele F. , Gahan D. , Galbiati C. , Galiński G. , Gallina G. , Gallus G. , Garbini M. , Garcia Abia P. , Gawdzik A. , Gendotti A. , Ghisi A. , Giovanetti G.K. , Goicoechea Casanueva V. , Gola A. , Grandi L. , Grauso G. , Grilli di Cortona G. , Grobov A. , Gromov M. , Guerzoni M. , Gulino M. , Guo C. , Hackett B.R. , Hallin A. , Hamer A. , Haranczyk M. , Harrop B. , Hessel T. , Hill S. , Horikawa S. , Hu J. , Hubaut F. , Hucker J. , Hugues T. , Hungerford E.V. , Ianni A. , Ippolito V. , Jamil A. , Jillings C. , Kachru P. , Keloth R. , Kemmerich N. , Kemp A. , Kendziora C.L. , Kimura M. , Kondo K. , Korga G. , Kotsiopoulou L. , Koulosousas S. , Kubankin A. , Kunzé P. , Kuss M. , Kuźniak M. , Kuzwa M. , La Commara M. , Lai M. , Le Guirriec E. , Leason E. , Leoni A. , Lidey L. , Lissia M. , Luzzi L. , Lychagina O. , Macfadyen O. , Machulin I.N. , Manecki S. , Manthos I. , Mapelli L. , Marasciulli A. , Mari S.M. , Mariani C. , Maricic J. , Marini A. , Martinez M. , Martoff C.J. , Matteucci G. , Mavrokoridis K. , McDonald A.B. , Mclaughlin J. , Merzi S. , Messina A. , Milincic R. , Minutoli S. , Mitra A. , Moharana A. , Moioli S. , Monroe J. , Moretti E. , Morrocchi M. , Mroz T. , Muratova V.N. , Murphy M. , Murra M. , Muscas C. , Musico P. , Nania R. , Nessi M. , Nieradka G. , Nikolopoulos K. , Nikoloudaki E. , Nowak J. , Olchanski K. , Oleinik A. , Oleynikov V. , Organtini P. , Ortiz de Solórzano A. , Pallavicini M. , Pandola L. , Pantic E. , Paoloni E. , Papi D. , Pastuszak G. , Paternoster G. , Peddis D. , Pegoraro P.A. , Pelczar K. , Pellegrini L.A. , Perez R. , Perotti F. , Pesudo V. , Piacentini S.I. , Pino N. , Plante G. , Pocar A. , Poehlmann M. , Pordes S. , Pralavorio P. , Price D. , Puglia S. , Queiroga Bazetto M. , Ragusa F. , Ramachers Y. , Ramirez A. , Ravinthiran S. , Razeti M. , Renshaw A.L. , Rescigno M. , Retiere F. , Rignanese L.P. , Rivetti A. , Roberts A. , Roberts C. , Rogers G. , Romero L. , Rossi M. , Rubbia A. , Rudik D. , Sabia M. , Sadashivajois S. , Salomone P. , Samoylov O. , Sandford E. , Sanfilippo S. , Santone D. , Santorelli R. , Santos E.M. , Savarese C. , Scapparone E. , Schillaci G. , Schuckman II F.G. , Scioli G. , Semenov D.A. , Sheshukov A. , Simeone M. , Skensved P. , Skorokhvatov M.D. , Slimani S. , Smirnov O. , Smirnova T. , Smith B. , Sotnikov A. , Spadoni F. , Spangenberg M. , Stefanizzi R. , Steri A. , Stornelli V. , Stracka S. , Sulis S. , Sung A. , Sunny C. , Suvorov Y. , Szelc A.M. , Taborda O. , Tartaglia R. , Taylor A. , Taylor J. , Tedesco S. , Testera G. , Thieme K. , Thompson A. , Tonazzo A. , Torres-Lara S. , Tosi S. , Tricomi A. , Unzhakov E.V. , Vallivilayil T.J. , Van Uffelen M. , Velazquez-Fernandez L. , Viant T. , Vicini S. , Viel S. , Vishneva A. , Vogelaar R.B. , Vossebeld J. , Vyas B. , Wada M. , Walczak M.B. , Wang H. , Wang Y. , Westerdale S. , Williams L. , Wojaczyński R. , Wojcik M.M. , Wojcik M. , Wright T. , Xie Y. , Yang C. , Yin J. , Zabihi A. , Zakhary P. , Zani A. , Zhang Y. , Zhu T. , Zichichi A. , Zuzel G. , Zykova M.P. ,   The DarkSide-20k collaboration
Published: September 2024

Abstract
Experiments aimed at direct searches for WIMP dark matter
require highly effective reduction of backgrounds and control of any
residual radioactive contamination. In particular, neutrons
interacting with atomic nuclei represent an important class of
backgrounds due to the expected similarity of a WIMP-nucleon
interaction, so that such experiments often feature a dedicated
neutron detector surrounding the active target volume. In the
context of the development of DarkSide-20k detector at INFN Gran
Sasso National Laboratory (LNGS), several R&D projects were
conceived and developed for the creation of a new hybrid material
rich in both hydrogen and gadolinium nuclei to be employed as an
essential element of the neutron detector. Thanks to its very high
cross-section for neutron capture, gadolinium is one of the most
widely used elements in neutron detectors, while the hydrogen-rich
material is instrumental in efficiently moderating the neutrons. In
this paper results from one of the R&Ds are presented. In this
effort the new hybrid material was obtained as a poly(methyl
methacrylate) (PMMA) matrix, loaded with gadolinium oxide in the
form of nanoparticles. We describe its realization, including all
phases of design, purification, construction, characterization, and
determination of mechanical properties of the new material.