A gravity-based mounting approach for large-scale cryogenic calorimeter arrays

K. Alfonso; A. Armatol; C. Augier; F. T. Avignone; O. Azzolini; A. S. Barabash; G. Bari; A. Barresi; D. Baudin; F. Bellini; G. Benato; L. Benussi; V. Berest; M. Beretta; L. Bergé; M. Bettelli; M. Biassoni; J. Billard; F. Boffelli; V. Boldrini; E. D. Brandani; C. Brofferio; C. Bucci; M. Buchynska; J. Camilleri; A. Campani; J. Cao; C. Capelli; S. Capelli; V. Caracciolo; L. Cardani; P. Carniti; N. Casali; E. Celi; C. Chang; M. Chapellier; H. Chen; D. Chiesa; D. Cintas; M. Clemenza; I. Colantoni; S. Copello; O. Cremonesi; R. J. Creswick; A. D’Addabbo; I. Dafinei; F. A. Danevich; F. De Dominicis; M. De Jesus; P. De Marcillac; S. Dell’Oro; S. Di Domizio; S. Di Lorenzo; V. Dompe; A. Drobizhev; L. Dumoulin; G. Fantini; M. El Idrissi; M. Faverzani; E. Ferri; F. Ferri; F. Ferroni; E. Figueroa-Feliciano; J. Formaggio; A. Franceschi; S. Fu; B. K. Fujikawa; J. Gascon; S. Ghislandi; A. Giachero; M. Girola; L. Gironi; A. Giuliani; P. Gorla; C. Gotti; C. Grant; P. Gras; P. V. Guillaumon; T. D. Gutierrez; K. Han; E. V. Hansen; K. M. Heeger; D. L. Helis; H. Z. Huang; M. T. Hurst; L. Imbert; A. Juillard; G. Karapetrov; G. Keppel; H. Khalife; V. V. Kobychev; Yu. G. Kolomensky; R. Kowalski; H. Lattaud; M. Lefevre; M. Lisovenko; R. Liu; Y. Liu; P. Loaiza; L. Ma; F. Mancarella; N. Manenti; A. Mariani; L. Marini; S. Marnieros; M. Martinez; R. H. Maruyama; Ph Mas; D. Mayer; G. Mazzitelli; E. Mazzola; Y. Mei; M. N. Moore; S. Morganti; T. Napolitano; M. Nastasi; J. Nikkel; C. Nones; E. B. Norman; V. Novosad; I. Nutini; T. O’Donnell; E. Olivieri; M. Olmi; B. T. Oregui; S. Pagan; M. Pageot; L. Pagnanini; D. Pasciuto; L. Pattavina; M. Pavan; Ö Penek; H. Peng; G. Pessina; V. Pettinacci; C. Pira; S. Pirro; O. Pochon; D. V. Poda; T. Polakovic; O. G. Polischuk; E. G. Pottebaum; S. Pozzi; E. Previtali; A. Puiu; S. Puranam; S. Quitadamo; A. Rappoldi; G. L. Raselli; A. Ressa; R. Rizzoli; C. Rosenfeld; P. Rosier; M. Rossella; J. A. Scarpaci; B. Schmidt; R. Serino; A. Shaikina; K. Shang; V. Sharma; V. N. Shlegel; V. Singh; M. Sisti; P. Slocum; D. Speller; P. T. Surukuchi; L. Taffarello; S. Tomassini; C. Tomei; A. Torres; J. A. Torres; D. Tozzi; V. I. Tretyak; D. Trotta; M. Velazquez; K. J. Vetter; S. L. Wagaarachchi; G. Wang; L. Wang; R. Wang; B. Welliver; J. Wilson; K. Wilson; L. A. Winslow; F. Xie; M. Xue; J. Yang; V. Yefremenko; V. I. Umatov; M. M. Zarytskyy; T. Zhu; A. Zolotarova; S. Zucchelli; Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), Berkeley, CA (United States)

doi:10.1140/epjc/s10052-025-14613-z

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A gravity-based mounting approach for large-scale cryogenic calorimeter arrays

Journal article

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Peer reviewed

A gravity-based mounting approach for large-scale cryogenic calorimeter arrays

K. Alfonso, A. Armatol, C. Augier, F. T. Avignone, O. Azzolini, A. S. Barabash, G. Bari, A. Barresi, D. Baudin, F. Bellini, …

The European physical journal. C, Particles and fields, v 85(9), 935

02 Sep 2025

DOI: https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-025-14613-z

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Abstract

Astronomical instrumentation

Gravitational Physics

instrumentation and detectors

Lab-on-a-Chip

Laboratory Astrophysics

Measurement Science and Instrumentation

Milgram Experiment

nuclear experiment

High Energy Physics

Cryogenic calorimeters are among the leading technologies for searching for rare events. The CUPID experiment is exploiting this technology to deploy a tonne-scale detector to search for neutrinoless double-beta decay of 100Mo. The CUPID collaboration proposed an innovative approach to assembling cryogenic calorimeters in a stacked configuration, held in position solely by gravity. This gravity-based assembly method is unprecedented in the field of cryogenic calorimeters and offers several advantages, including relaxed mechanical tolerances and simplified construction. To assess and optimize its performance, we constructed a medium-scale prototype hosting 28 Li2 MoO4 crystals and 30 Ge light detectors, both operated as cryogenic calorimeters at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso (Italy). Despite an unexpected excess of noise in the light detectors, the results of this test proved (i) a thermal stability better than ±0.5 mK at 10 mK, (ii) a good energy resolution of Li2 MoO4 cryogenic calorimeters, (6.6 ± 2.2) keV FWHM at 2615 keV, and (iii) a Li2 MoO4 light yield measured by the closest light detector of 0.36 keV/MeV, sufficient to guarantee the particle identification requested by CUPID.

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Details

Title: A gravity-based mounting approach for large-scale cryogenic calorimeter arrays
Creators: K. Alfonso - University of California System
A. Armatol - Communauté urbaine de Lyon
C. Augier - Centre National de la Recherche Scientifique
F. T. Avignone - University of South Carolina
O. Azzolini - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Legnaro
A. S. Barabash - Kurchatov Institute
G. Bari - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bologna
A. Barresi
D. Baudin - Université Paris-Saclay
F. Bellini - Sapienza University of Rome
G. Benato - Gran Sasso Science Institute
L. Benussi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
V. Berest - Université Paris-Saclay
M. Beretta - University of Milano-Bicocca
L. Bergé - Université Paris-Saclay
M. Bettelli - Institute for Microelectronics and Microsystems
M. Biassoni - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano Bicocca
J. Billard - Centre National de la Recherche Scientifique
F. Boffelli - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pavia
V. Boldrini - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bologna
E. D. Brandani - University of California, Berkeley
C. Brofferio - University of Milano-Bicocca
C. Bucci - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
M. Buchynska - Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules
J. Camilleri - Virginia Tech
A. Campani - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Genova
J. Cao - Fudan University
C. Capelli - Lawrence Berkeley National Laboratory
S. Capelli - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano Bicocca
V. Caracciolo - University of Rome Tor Vergata
L. Cardani - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
P. Carniti - University of Milano-Bicocca
N. Casali - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
E. Celi - Northwestern University
C. Chang - Argonne National Laboratory
M. Chapellier - Laboratoire de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie
H. Chen - Fudan University
D. Chiesa - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano Bicocca
D. Cintas - Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules
M. Clemenza - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano Bicocca
I. Colantoni - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
S. Copello - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pavia
O. Cremonesi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano Bicocca
R. J. Creswick - University of South Carolina
A. D’Addabbo - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
I. Dafinei - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
F. A. Danevich - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Roma Tor Vergata
F. De Dominicis - Gran Sasso Science Institute
M. De Jesus - Université Claude Bernard Lyon 1
P. De Marcillac - Université Paris-Saclay
S. Dell’Oro - University of Milano-Bicocca
S. Di Domizio
S. Di Lorenzo - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
V. Dompe - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
A. Drobizhev - Lawrence Berkeley National Laboratory
L. Dumoulin - Université Paris-Saclay
G. Fantini - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
M. El Idrissi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Legnaro
M. Faverzani - University of Milano-Bicocca
E. Ferri - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano Bicocca
F. Ferri - Université Paris-Saclay
F. Ferroni - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
E. Figueroa-Feliciano - Northwestern University
J. Formaggio - Massachusetts Institute of Technology
A. Franceschi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
S. Fu - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
B. K. Fujikawa - Lawrence Berkeley National Laboratory
J. Gascon - Université Claude Bernard Lyon 1
S. Ghislandi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
A. Giachero - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano Bicocca
M. Girola - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano Bicocca
L. Gironi - University of Milano-Bicocca
A. Giuliani - Université Paris-Saclay
P. Gorla - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
C. Gotti - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano Bicocca
C. Grant - Boston University
P. Gras - Université Paris-Saclay
P. V. Guillaumon - Universidade de São Paulo
T. D. Gutierrez - California Polytechnic State University
K. Han - Shanghai Jiao Tong University
E. V. Hansen - University of California, Berkeley
K. M. Heeger - Yale University
D. L. Helis - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
H. Z. Huang - Fudan University
M. T. Hurst - University of Pittsburgh
L. Imbert - Université Paris-Saclay
A. Juillard - Centre National de la Recherche Scientifique
G. Karapetrov - Drexel University
G. Keppel - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Legnaro
H. Khalife - Université Paris-Saclay
V. V. Kobychev - Institute for Nuclear Research
Yu. G. Kolomensky - University of California, Berkeley
R. Kowalski - Johns Hopkins University
H. Lattaud - Centre National de la Recherche Scientifique
M. Lefevre - Université Paris-Saclay
M. Lisovenko - Argonne National Laboratory
R. Liu - Yale University
Y. Liu - Beijing Normal University
P. Loaiza - Université Paris-Saclay
L. Ma - Fudan University
F. Mancarella - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Bologna
N. Manenti - Institute for Microelectronics and Microsystems
A. Mariani - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
L. Marini - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
S. Marnieros - Université Paris-Saclay
M. Martinez - Universidad de Zaragoza
R. H. Maruyama - Yale University
Ph Mas - Université Paris-Saclay
D. Mayer - University of California, Berkeley
G. Mazzitelli - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
E. Mazzola - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano Bicocca
Y. Mei - Lawrence Berkeley National Laboratory
M. N. Moore - Yale University
S. Morganti - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
T. Napolitano - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
M. Nastasi - University of Milano-Bicocca
J. Nikkel - Yale University
C. Nones - Université Paris-Saclay
E. B. Norman - University of California, Berkeley
V. Novosad - Argonne National Laboratory
I. Nutini - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano Bicocca
T. O’Donnell - Virginia Tech
E. Olivieri - Université Paris-Saclay
M. Olmi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
B. T. Oregui - Johns Hopkins University
S. Pagan - Yale University
M. Pageot - Université Paris-Saclay
L. Pagnanini - Gran Sasso Science Institute
D. Pasciuto - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
L. Pattavina - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano Bicocca
M. Pavan - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano Bicocca
Ö Penek - Boston University
H. Peng - University of Science and Technology of China
G. Pessina - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano Bicocca
V. Pettinacci - INFN Sezione di Roma
C. Pira - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Legnaro
S. Pirro - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
O. Pochon - Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules
D. V. Poda - Université Paris-Saclay
T. Polakovic - Argonne National Laboratory
O. G. Polischuk - Institute for Nuclear Research
E. G. Pottebaum - Yale University
S. Pozzi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano Bicocca
E. Previtali
A. Puiu - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
S. Puranam - University of Pavia
S. Quitadamo - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
A. Rappoldi - Institute for Microelectronics and Microsystems
G. L. Raselli - Institute for Microelectronics and Microsystems
A. Ressa - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
R. Rizzoli - Université Paris-Saclay
C. Rosenfeld - University of South Carolina
P. Rosier - Université Paris-Saclay
M. Rossella - Institute for Microelectronics and Microsystems
J. A. Scarpaci - Université Paris-Saclay
B. Schmidt - Université Paris-Saclay
R. Serino - Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules
A. Shaikina - Gran Sasso Science Institute
K. Shang - Fudan University
V. Sharma - University of Pittsburgh
V. N. Shlegel - Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry
V. Singh - University of California, Berkeley
M. Sisti - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano Bicocca
P. Slocum - Yale University
D. Speller - Johns Hopkins University
P. T. Surukuchi - University of Pittsburgh
L. Taffarello - INFN Sezione di Padova
S. Tomassini - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati
C. Tomei - INFN Sezione di Roma
A. Torres - Virginia Tech
J. A. Torres - Yale University
D. Tozzi - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma I
V. I. Tretyak - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
D. Trotta - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano Bicocca
M. Velazquez - Institut polytechnique de Grenoble
K. J. Vetter
S. L. Wagaarachchi - University of California, Berkeley
G. Wang - Argonne National Laboratory
L. Wang - Beijing Normal University
R. Wang - Argonne National Laboratory
B. Welliver - University of California, Berkeley
J. Wilson - University of South Carolina
K. Wilson - University of South Carolina
L. A. Winslow - Massachusetts Institute of Technology
F. Xie - Fudan University
M. Xue - University of Science and Technology of China
J. Yang - University of Science and Technology of China
V. Yefremenko - Argonne National Laboratory
V. I. Umatov - Kurchatov Institute
M. M. Zarytskyy - Institute for Nuclear Research
T. Zhu - University of California, Berkeley
A. Zolotarova - Université Paris-Saclay
S. Zucchelli - University of Bologna
Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), Berkeley, CA (United States)
Publication Details: The European physical journal. C, Particles and fields, v 85(9), 935
Publisher: Springer Nature; NEW YORK
Number of pages: 13
Grant note: Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)European Research Council (ERC) under the European UnionERC: 865844 Marie Skodowska-Curie Grant: 754496 Italian Ministry of University and Research (MIUR) through the grant Progetti di ricerca di Rilevante Interesse Nazionale (PRIN): 2017FJZMCJ Italian Ministry of University and Research (MUR): 2020H5L338 US National Science Foundation: NSF-PHY-1401832, NSF-PHY-1614611 Agence Nationale de la Recherche, France: ANR-21-CE31-0014-CUPID-1 US Department of Energy (DOE) Office of Science: DE-AC02-05CH11231, DE-AC02-06CH11357 DOE Office of Science, Office of Nuclear Physics: DE-FG02-08ER41551, DE-SC0011091, DE-SC0012654, DE-SC0019316, DE-SC0019368, DE-SC0020423 Russian Science Foundation: 18-12-00003 CUOREEuropean Research Council (ERC): 865844
The CUPID collaboration thanks the directors and staff of the Laboratori Nazionali del Gran Sasso and the technical staff of our laboratories. This work was supported by the Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN); by the European Research Council (ERC) under the European Union Horizon 2020 program (H2020 /2014-2020) with the ERC Advanced Grant no. 742345 (ERC-2016-ADG, project CROSS), ERC Consolidator Grant no. 865844 (project BINGO), and the Marie Skodowska-Curie Grant Agreement No. 754496; by the Italian Ministry of University and Research (MIUR) through the grant Progetti di ricerca di Rilevante Interesse Nazionale (PRIN 2017, grant no. 2017FJZMCJ); by the Italian Ministry of University and Research (MUR) through the grant "Thin films and radioactivity mitigation to enhance superconducting quantum processors and low temperature particle detectors" (PRIN grant no. 2020H5L338); by the US National Science Foundation under Grant Nos. NSF-PHY-1401832, NSF-PHY-1614611, and NSF-PHY-1614611; by the Agence Nationale de la Recherche, France, through the ANR-21-CE31-0014-CUPID-1. This material is also based upon work supported by the US Department of Energy (DOE) Office of Science under Contract Nos. DE-AC02-05CH11231 and DE-AC02-06CH11357; and by the DOE Office of Science, Office of Nuclear Physics under Contract Nos. DE-FG02-08ER41551, DE-SC0011091, DE-SC0012654, DE-SC0019316, DE-SC0019368, and DE-SC0020423. This work was also supported by the Russian Science Foundation under grant No. 18-12-00003. This research used resources of the National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). This work makes use of both the DIANA data analysis and APOLLO data acquisition software packages, which were developed by the CUORICINO, CUORE, LUCIFER, and CUPID-0 collaborations.
Resource Type: Journal article
Language: English
Academic Unit: Physics
Web of Science ID: WOS:001574131000001
Scopus ID: 2-s2.0-105017115781
Other Identifier: 991022154870304721

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Collaboration types: Domestic collaboration; International collaboration
Web of Science research areas: Physics, Particles & Fields

A gravity-based mounting approach for large-scale cryogenic calorimeter arrays

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