Exploring light dark matter with the DarkSPHERE spherical proportional counter electroformed underground at the Boulby Underground Laboratory

被引:5
作者
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[4] Royal Mil Coll Canada, Dept Chem & Chem Engn, Kingston, ON K7K 7B4, Canada
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[11] Aristotle Univ Thessaloniki, Thessaloniki 54124, Greece
[12] Boulby Mine, STFC Boulby Underground Lab, Redcar And Cleveland TS13 4UZ, England
[13] Kings Coll London, Dept Phys, London WC2R 2LS, England
基金
英国科学技术设施理事会;
关键词
SEARCH; DETECTOR; LIMITS; SPECTROSCOPY; SIMULATION; COPPER; FLUX;
D O I
10.1103/PhysRevD.108.112006
中图分类号
P1 [天文学];
学科分类号
0704 ;
摘要
We present the conceptual design and the physics potential of DarkSPHERE, a proposed 3 m in diameter spherical proportional counter electroformed underground at the Boulby Underground Laboratory. This effort builds on the R&D performed and experience acquired by the NEWS-G Collaboration. DarkSPHERE is primarily designed to search for nuclear recoils from light dark matter in the 0.05-10 GeV mass range. Electroforming the spherical shell and the implementation of a shield based on pure water ensures a background level below 0.01 dru. These, combined with the proposed helium-isobutane gas mixture, will provide sensitivity to the spin-independent nucleon cross section of 2 x 10-41 o2 x 10-43 thorn cm2 for a dark matter mass of 0.1(1) GeV. The use of a hydrogen-rich gas mixture with a natural abundance of 13C provides sensitivity to spin-dependent nucleon cross sections more than two orders of magnitude below existing constraints for dark matter lighter than 1 GeV. The characteristics of the detector also make it suitable for searches of other dark matter signatures, including scattering of MeV-scale dark matter with electrons, and superheavy dark matter with masses around the Planck scale that leave extended ionization tracks in the detector.
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