G4CMP: Condensed matter physics simulation using the Geant4 toolkit

被引：9

作者：

Kelsey, M. H. ^{[1
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Agnese, R. ^{[3
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Alam, Y. F. ^{[1
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Langroudy, I. Ataee ^{[1
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Bunker, R. ^{[5
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Edwards, E. R. ^{[5
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Gao, J. ^{[10
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Hong, Z. ^{[8
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Lawrence, R. E. ^{[1
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Loer, B. ^{[5
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Masten, M. G. ^{[12
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Michaud, E. ^{[13
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Michielin, E. ^{[14
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Miller, J. ^{[5
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Novati, V. ^{[9
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Oblath, N. S. ^{[5
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Orrell, J. L. ^{[5
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Perry, W. L. ^{[1
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Redl, P. ^{[6
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Reynolds, T. ^{[8
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Saab, T. ^{[3
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Sadoulet, B. ^{[16
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Serniak, K. ^{[11
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Singh, J. ^{[6
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Speaks, Z. ^{[3
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Stanford, C. ^{[19
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Stevens, J. R. ^{[10
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Strube, J. ^{[5
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Toback, D. ^{[1
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Ullom, J. N. ^{[10
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VanDevender, B. A. ^{[5
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Vissers, M. R. ^{[21
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Wilson, M. J. ^{[22
]}

Wilson, J. S. ^{[23
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Zatschler, B. ^{[8
]}

Zatschler, S. ^{[8
]}

机构：

[1] Texas A&M Univ, Dept Phys & Astron, College Stn, TX 77843 USA

[2] Texas A&M Univ, Mitchell Inst Fundamental Phys & Astron, College Stn, TX 77843 USA

[3] Univ Florida, Dept Phys, Gainesville, FL 32611 USA

[4] SLAC Natl Accelerator Lab, Kavli Inst Particle Astrophys & Cosmol, Menlo Pk, CA 94025 USA

[5] Pacific Northwest Natl Lab, Richland, WA 99352 USA

[6] Stanford Univ, Dept Phys, Stanford, CA 94305 USA

[7] CALTECH, Div Phys Math & Astron, Pasadena, CA 91125 USA

[8] Univ Toronto, Dept Phys, Toronto, ON M5S 1A7, Canada

[9] Northwestern Univ, Dept Phys & Astron, Evanston, IL 60208 USA

[10] Univ Colorado, Dept Phys, Boulder, CO 80309 USA

[11] MIT, Res Lab Elect, Cambridge, MA 02139 USA

[12] Santa Clara Univ, Dept Phys, Santa Clara, CA 95053 USA

[13] Univ Montreal, Dept Phys, Montreal, PQ H3C 3J7, Canada

[14] Univ British Columbia, Dept Phys & Astron, Vancouver, BC V6T 1Z1, Canada

[15] TRIUMF, Vancouver, BC V6T 2A3, Canada

[16] Univ Calif Berkeley, Dept Phys, Berkeley, CA 94720 USA

[17] Lawrence Berkeley Natl Lab, Berkeley, CA 94720 USA

[18] MIT, Lincoln Lab, Lexington, MA 02421 USA

[19] Fermilab Natl Accelerator Lab, Batavia, IL 60510 USA

[20] Univ Oregon, Inst Fundamental Sci, Eugene, OR 97403 USA

[21] NIST, Quantum Electromagnet Div, Boulder, CO 80305 USA

[22] Karlsruhe Inst Technol KIT, Inst Astroparticle Phys IAP, D-76344 Karlsruhe, Germany

[23] Baylor Univ, Dept Phys, Waco, TX 76798 USA

来源：

NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH SECTION A-ACCELERATORS SPECTROMETERS DETECTORS AND ASSOCIATED EQUIPMENT | 2023年 / 1055卷

基金：

加拿大自然科学与工程研究理事会; 美国国家科学基金会;

关键词：

Simulation; Solid state; Phonon transport; Charge transport; Superconducting devices; QUASI-PARTICLE; GERMANIUM; CHARGE; SCATTERING; ELECTRON; DEPENDENCE; RADIATION; VELOCITY; DETECTOR; PHONONS;

D O I：

10.1016/j.nima.2023.168473

中图分类号：

TH7 [仪器、仪表];

学科分类号：

0804 ; 080401 ; 081102 ;

摘要：

G4CMP simulates phonon and charge transport in cryogenic semiconductor crystals using the Geant4 toolkit. The transport code is capable of simulating the propagation of acoustic phonons as well as electron and hole charge carriers. Processes for anisotropic phonon propagation, oblique charge-carrier propagation, and phonon emission by accelerated charge carriers are included. The simulation reproduces theoretical predictions and experimental observations such as phonon caustics, heat-pulse propagation times, and mean charge-carrier drift velocities. In addition to presenting the physics and features supported by G4CMP, this report outlines example applications from the dark matter and quantum information science communities. These communities are applying G4CMP to model and design devices for which the energy transported by phonons and charge carriers is germane to the performance of superconducting instruments and circuits placed on silicon and germanium substrates. The G4CMP package is available to download from GitHub: github.com/kelseymh/G4CMP.

引用

页数：16

共 76 条

[1] First Dark Matter Constraints from a SuperCDMS Single-Charge Sensitive Detector [J].

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Borgland, A. ;

Bowles, M. A. ;

Brink, P. L. ;

Bunker, R. ;

Cabrera, B. ;

Caldwell, D. O. ;

Calkins, R. ;

Cartaro, C. ;

Cerdeno, D. G. ;

Chagani, H. ;

Chen, Y. ;

Cooley, J. ;

Cornell, B. ;

Cushman, P. ;

Daal, M. ;

Di Stefano, P. C. F. ;

Doughty, T. ;

Esteban, L. ;

Fallows, S. ;

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Fritts, M. ;

Gerbier, G. ;

Ghaith, M. ;

Godfrey, G. L. ;

Golwala, S. R. ;

Hall, J. ;

Harris, H. R. ;

Hofer, T. ;

Holmgren, D. ;

Hong, Z. ;

Hoppe, E. ;

Hsu, L. ;

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[3] Maximum likelihood analysis of low energy CDMS II germanium data [J].

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Billard, J. ;

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Bowles, M. A. ;

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Brink, P. L. ;

Bunker, R. ;

Cabrera, B. ;

Caldwell, D. O. ;

Cerdeno, D. G. ;

Chagani, H. ;

Chen, Y. ;

Cooley, J. ;

Cornell, B. ;

Crewdson, C. H. ;

Cushman, P. ;

Daal, M. ;

Di Stefano, P. C. F. ;

Doughty, T. ;

Esteban, L. ;

Fallows, S. ;

Figueroa-Feliciano, E. ;

Fritts, M. ;

Godfrey, G. L. ;

Golwala, S. R. ;

Graham, M. ;

Hall, J. ;

Harris, H. R. ;

Hertel, S. A. ;

Hofer, T. ;

Holmgren, D. ;

Hsu, L. ;

Huber, M. E. ;

Jastram, A. ;

Kamaev, O. ;

Kara, B. ;

Kelsey, M. H. ;

Kennedy, A. ;

Kiveni, M. ;

Koch, K. ;

Leder, A. ;

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Behner, F ;

Bellagamba, L ;

Boudreau, J ;

Broglia, L ;

Brunengo, A ;

Burkhardt, H ;

Chauvie, S ;

Chuma, J ;

Chytracek, R ;

Cooperman, G ;

Cosmo, G ;

Degtyarenko, P ;

Dell'Acqua, A ;

Depaola, G ;

Dietrich, D ;

Enami, R ;

Feliciello, A ;

Ferguson, C ;

Fesefeldt, H ;

Folger, G ;

Foppiano, F ;

Forti, A ;

Garelli, S ;

Giani, S ;

Giannitrapani, R ;

Gibin, D ;

Cadenas, JJG ;

González, I ;

Abril, GG ;

Greeniaus, G ;

Greiner, W ;

Grichine, V ;

Grossheim, A ;

Guatelli, S ;

Gumplinger, P ;

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Daal, M. ;

DeJongh, F. ;

Dragowsky, M. R. ;

Duong, L. ;

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Filippini, J. ;

Fritts, M. ;

Golwala, S. R. ;

Grant, D. R. ;

Hall, J. ;

Hennings-Yeomans, R. ;

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Foppiano, F ;

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Guatelli, S ;

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Heikkinen, A ;

Hrivnacova, I ;

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Incerti, S ;

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Johnson, T ;

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Larsson, S ;

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Longo, F ;

Maire, M ;

Mantero, A ;

Mascialino, B ;

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Lorenzo, PM ;

Minamimoto, K ;

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Canal, Ph. ;

Cano-Ott, D. ;

Chauvie, S. ;

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Cooperman, G. ;

Cortes-Giraldo, M. A. ;

Cosmo, G. ;

Cuttone, G. ;

Depaola, G. ;

Desorgher, L. ;

Dong, X. ;

Dotti, A. ;

Elvira, V. D. ;

Folger, G. ;

Francis, Z. ;

Galoyan, A. ;

Garnier, L. ;

Gayer, M. ;

Genser, K. L. ;

Grichine, V. M. ;

Guatelli, S. ;

Gueye, P. ;

Gumplinger, P. ;

Howard, A. S. ;

Hrivnacova, I. ;

Hwang, S. ;

Incerti, S. ;

Ivanchenko, A. ;

Ivanchenko, V. N. ;

Jones, F. W. ;

Jun, S. Y. ;

Kaitaniemi, P. ;

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Golwala, S. R. ;

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Hines, B. A. ;

Hollister, M., I ;

Hong, Z. ;

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PHYSICAL REVIEW D, 2020, 102 (09)

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共 76 条

[1] First Dark Matter Constraints from a SuperCDMS Single-Charge Sensitive Detector [J].

Agnese, R. ;

Aralis, T. ;

Aramaki, T. ;

Arnquist, I. J. ;

Azadbakht, E. ;

Baker, W. ;

Banik, S. ;

Barker, D. ;

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Bowles, M. A. ;

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Bunker, R. ;

Cabrera, B. ;

Calkins, R. ;

Cartaro, C. ;

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Cornell, B. ;

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Doughty, T. ;

Fascione, E. ;

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Fink, C. ;

Fritts, M. ;

Gerbier, G. ;

Germond, R. ;

Ghaith, M. ;

Golwala, S. R. ;

Harris, H. R. ;

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Hoppe, E. W. ;

Hsu, L. ;

Huber, M. E. ;

Iyer, V. ;

Jardin, D. ;

Jena, C. ;

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Kennedy, A. ;

Kubik, A. ;

Kurinsky, N. A. ;

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Leyva, J. V. ;

Loer, B. ;

Asamar, E. Lopez ;

Lukens, P. ;

MacDonell, D. ;

Mahapatra, R. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2018, 121 (05)

[2] Projected sensitivity of the SuperCDMS SNOLAB experiment [J].

Agnese, R. ;

Anderson, A. J. ;

Aramaki, T. ;

Arnquist, I. ;

Baker, W. ;

Barker, D. ;

Thakur, R. Basu ;

Bauer, D. A. ;

Borgland, A. ;

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Caldwell, D. O. ;

Calkins, R. ;

Cartaro, C. ;

Cerdeno, D. G. ;

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Chen, Y. ;

Cooley, J. ;

Cornell, B. ;

Cushman, P. ;

Daal, M. ;

Di Stefano, P. C. F. ;

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Esteban, L. ;

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Fritts, M. ;

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Ghaith, M. ;

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Hall, J. ;

Harris, H. R. ;

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Hong, Z. ;

Hoppe, E. ;

Hsu, L. ;

Huber, M. E. ;

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Jastram, A. ;

Kelsey, M. H. ;

Kennedy, A. ;

Kubik, A. ;

Kurinsky, N. A. ;

Leder, A. ;

Loer, B. .

PHYSICAL REVIEW D, 2017, 95 (08)

[3] Maximum likelihood analysis of low energy CDMS II germanium data [J].

Agnese, R. ;

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Balakishiyeva, D. ;

Thakur, R. Basu ;

Bauer, D. A. ;

Billard, J. ;

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Bowles, M. A. ;

Brandt, D. ;

Brink, P. L. ;

Bunker, R. ;

Cabrera, B. ;

Caldwell, D. O. ;

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Chagani, H. ;

Chen, Y. ;

Cooley, J. ;

Cornell, B. ;

Crewdson, C. H. ;

Cushman, P. ;

Daal, M. ;

Di Stefano, P. C. F. ;

Doughty, T. ;

Esteban, L. ;

Fallows, S. ;

Figueroa-Feliciano, E. ;

Fritts, M. ;

Godfrey, G. L. ;

Golwala, S. R. ;

Graham, M. ;

Hall, J. ;

Harris, H. R. ;

Hertel, S. A. ;

Hofer, T. ;

Holmgren, D. ;

Hsu, L. ;

Huber, M. E. ;

Jastram, A. ;

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Kelsey, M. H. ;

Kennedy, A. ;

Kiveni, M. ;

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[5] GEANT4-a simulation toolkit [J].

Agostinelli, S ;

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Apostolakis, J ;

Araujo, H ;

Arce, P ;

Asai, M ;

Axen, D ;

Banerjee, S ;

Barrand, G ;

Behner, F ;

Bellagamba, L ;

Boudreau, J ;

Broglia, L ;

Brunengo, A ;

Burkhardt, H ;

Chauvie, S ;

Chuma, J ;

Chytracek, R ;

Cooperman, G ;

Cosmo, G ;

Degtyarenko, P ;

Dell'Acqua, A ;

Depaola, G ;

Dietrich, D ;

Enami, R ;

Feliciello, A ;

Ferguson, C ;

Fesefeldt, H ;

Folger, G ;

Foppiano, F ;

Forti, A ;

Garelli, S ;

Giani, S ;

Giannitrapani, R ;

Gibin, D ;

Cadenas, JJG ;

González, I ;

Abril, GG ;

Greeniaus, G ;

Greiner, W ;

Grichine, V ;

Grossheim, A ;

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Gumplinger, P ;

Hamatsu, R ;

Hashimoto, K ;

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Baudis, L. ;

Bauer, D. A. ;

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Bunker, R. ;

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Cushman, P. ;

Daal, M. ;

DeJongh, F. ;

Dragowsky, M. R. ;

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Fallows, S. ;

Figueroa-Feliciano, E. ;

Filippini, J. ;

Fritts, M. ;

Golwala, S. R. ;

Grant, D. R. ;

Hall, J. ;

Hennings-Yeomans, R. ;

Hertel, S. A. ;

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Hsu, L. ;

Huber, M. E. ;

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Kiveni, M. ;

Kos, M. ;

Leman, S. W. ;

Mahapatra, R. ;

Mandic, V. ;

McCarthy, K. A. ;

Mirabolfathi, N. ;

Moore, D. ;

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Aralis, T. ;

Aramaki, T. ;

Arnquist, I. J. ;

Langroudy, I. Ataee ;

Azadbakht, E. ;

Banik, S. ;

Barker, D. ;

Bathurst, C. ;

Bauer, D. A. ;

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Bhattacharyya, R. ;

Binder, T. ;

Bowles, M. A. ;

Brink, P. L. ;

Bunker, R. ;

Cabrera, B. ;

Calkins, R. ;

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Cartaro, C. ;

Cerdeno, D. G. ;

Chang, Y-Y ;

Chaudhuri, M. ;

Chen, R. ;

Chott, N. ;

Cooley, J. ;

Coombes, H. ;

Corbett, J. ;

Cushman, P. ;

De Brienne, F. ;

di Vacri, M. L. ;

Diamond, M. D. ;

Fascione, E. ;

Figueroa-Feliciano, E. ;

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Fouts, K. ;

Fritts, M. ;

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Ghaith, M. ;

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PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2021, 127 (06)

[8] Geant4 developments and applications [J].

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Dubois, PA ;

Asai, M ;

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Capra, R ;

Chauvie, S ;

Chytracek, R ;

Cirrone, GAP ;

Cooperman, G ;

Cosmo, G ;

Cuttone, G ;

Daquino, GG ;

Donszelmann, M ;

Dressel, M ;

Folger, G ;

Foppiano, F ;

Generowicz, J ;

Grichine, V ;

Guatelli, S ;

Gumplinger, P ;

Heikkinen, A ;

Hrivnacova, I ;

Howard, A ;

Incerti, S ;

Ivanchenko, V ;

Johnson, T ;

Jones, F ;

Koi, T ;

Kokoulin, R ;

Kossov, M ;

Kurashige, H ;

Lara, V ;

Larsson, S ;

Lei, F ;

Link, O ;

Longo, F ;

Maire, M ;

Mantero, A ;

Mascialino, B ;

McLaren, I ;

Lorenzo, PM ;

Minamimoto, K ;

Murakami, K ;

Nieminen, P ;

Pandola, L ;

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IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, 2006, 53 (01) :270-278

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Barrand, G. ;

Beck, B. R. ;

Bogdanov, A. G. ;

Brandt, D. ;

Brown, J. M. C. ;

Burkhardt, H. ;

Canal, Ph. ;

Cano-Ott, D. ;

Chauvie, S. ;

Cho, K. ;

Cirrone, G. A. P. ;

Cooperman, G. ;

Cortes-Giraldo, M. A. ;

Cosmo, G. ;

Cuttone, G. ;

Depaola, G. ;

Desorgher, L. ;

Dong, X. ;

Dotti, A. ;

Elvira, V. D. ;

Folger, G. ;

Francis, Z. ;

Galoyan, A. ;

Garnier, L. ;

Gayer, M. ;

Genser, K. L. ;

Grichine, V. M. ;

Guatelli, S. ;

Gueye, P. ;

Gumplinger, P. ;

Howard, A. S. ;

Hrivnacova, I. ;

Hwang, S. ;

Incerti, S. ;

Ivanchenko, A. ;

Ivanchenko, V. N. ;

Jones, F. W. ;

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Kaitaniemi, P. ;

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Calkins, R. ;

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Cerdeno, D. G. ;

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Chen, R. ;

Chott, N. ;

Cooley, J. ;

Coombes, H. ;

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Cushman, P. ;

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Ghaith, M. ;

Golwala, S. R. ;

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Herbert, N. ;

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Hollister, M., I ;

Hong, Z. ;

Hoppe, E. W. ;

Hsu, L. ;

Huber, M. E. ;

Iyer, V ;

Jardin, D. ;

Jastram, A. .

PHYSICAL REVIEW D, 2020, 102 (09)

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