Search for inelastic dark matter-nucleus scattering with the PICO-60 CF3I and C3F8 bubble chambers

被引：3

作者：

Adams, E. ^{[1
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Ali, B. ^{[2
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Arnquist, I. J. ^{[3
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Baxter, D. ^{[4
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Behnke, E. ^{[5
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Bressler, M. ^{[6
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Broerman, B. ^{[1
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Chen, C. J. ^{[7
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Clark, K. ^{[1
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Collar, J. I. ^{[8
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Cooper, P. S. ^{[4
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Cripe, C. ^{[5
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Crisler, M. ^{[4
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Dahl, C. E. ^{[4
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Das, M. ^{[10
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Fallows, S. ^{[11
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Farine, J. ^{[11
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Filgas, R. ^{[2
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Garcia-Viltres, A. ^{[15
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Giroux, G. ^{[1
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Harris, O. ^{[16
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Hillier, T. ^{[11
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Hoppe, E. W. ^{[3
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Jackson, C. M. ^{[3
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Jin, M. ^{[7
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Krauss, C. B.

Kumar, V.

Laurin, M. ^{[17
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Lawson, I. ^{[11
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Leblanc, A. ^{[11
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Leng, H. ^{[18
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Levine, I.

Licciardi, C. ^{[11
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Lippincott, W. H. ^{[19
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Mitra, P.

Monette, V. ^{[17
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Moore, C. ^{[1
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Neilson, R. ^{[6
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Noble, A. J. ^{[1
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Nozard, H. ^{[17
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Pal, S.

Piro, M-C

Plante, A. ^{[17
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Priya, S. ^{[18
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Rethmeier, C.

Robinson, A. E. ^{[17
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Savoie, J.

Sonnenschein, A.

Starinski, N. ^{[17
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Stekl, I. ^{[2
]}

机构：

[1] Queens Univ, Dept Phys, Kingston, ON K7L 3N6, Canada

[2] Czech Tech Univ, Inst Expt & Appl Phys, CZ-12800 Prague, Czech Republic

[3] Pacific Northwest Natl Lab, Richland, WA 99354 USA

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

[5] Indiana Univ South Bend, Dept Phys, South Bend, IN 46634 USA

[6] Drexel Univ, Dept Phys, Philadelphia, PA 19104 USA

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

[8] Univ Chicago, KICP, Enr Fermi Inst, Chicago, IL 60637 USA

[9] Univ Chicago, Dept Phys, Chicago, IL 60637 USA

[10] Saha Inst Nucl Phys, High Energy Nucl & Particle Phys Div, Kolkata 700064, India

[11] Univ Alberta, Dept Phys, Edmonton, AB T6G 2E1, Canada

[12] Laurentian Univ, Sch Nat Sci, Sudbury, ON P3E 2C6, Canada

[13] SNOLAB, Lively, ON P3Y 1N2, Canada

[14] Carleton Univ, Dept Phys, Ottawa, ON K1S 5B6, Canada

[15] Univ Nacl Autonoma Mexico, Inst Fis, AP 20-364, Mexico City 01000, Mexico

[16] NE Illinois Univ, Chicago, IL 60625 USA

[17] Univ Montreal, Dept Phys, Montreal, PQ H2V 0B3, Canada

[18] Penn State, Mat Res Inst, University Pk, PA 16802 USA

[19] Univ Calif Santa Barbara, Dept Phys, Santa Barbara, CA 93106 USA

[20] Univ Nacl Autonoma Mexico, Inst Fis, AP 20-364, Mexico City 01000, Mexico

[21] Argonne Natl Lab, 9700 S Cass Ave, Lemont, IL 60439 USA

来源：

PHYSICAL REVIEW D | 2023年 / 108卷 / 06期

基金：

加拿大创新基金会; 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：

D O I：

10.1103/PhysRevD.108.062003

中图分类号：

P1 [天文学];

学科分类号：

0704 ;

摘要：

PICO bubble chambers have exceptional sensitivity to inelastic dark matter-nucleus interactions due to a combination of their extended nuclear-recoil energy detection window from a few keV to Oo100 keV thorn or more and the use of iodine as a heavy target. Inelastic dark matter-nucleus scattering is interesting for studying the properties of dark matter, where many theoretical scenarios have been developed. This study reports the results of a search for dark matter inelastic scattering with the PICO-60 bubble chambers. The analysis reported here comprises physics runs from PICO-60 bubble chambers using CF3I and C3F8. The CF3I run consisted of 36.8 kg of CF3I reaching an exposure of 3415 kg-day operating at thermodynamic thresholds between 7 and 20 keV. The C3F8 runs consisted of 52 kg of C3F8 reaching exposures of 1404 and 1167 kg-day running at thermodynamic thresholds of 2.45 and 3.29 keV, respectively. The analysis disfavors various scenarios, in a wide region of parameter space, that provide a feasible explanation of the signal observed by the DAMA experiment, assuming an inelastic interaction, considering that the PICO CF3I bubble chamber used iodine as the target material.

引用

页数：8

共 56 条

[1] Planck 2013 results. I. Overview of products and scientific results [J].

Ade, P. A. R. ;

Aghanim, N. ;

Alves, M. I. R. ;

Armitage-Caplan, C., I ;

Amaud, M. ;

Ashdown, M. ;

Atrio-Barandela, F. ;

Aumont, J. ;

Ausse, H. ;

Baccigalupi, C. ;

Banday, A. J. ;

Barreiro, R. B. ;

Barrenass, R. ;

Bartelmann, M. ;

Bartlett, J. G. ;

Bartolo, N. ;

Basak, S. ;

Battaner, E. ;

Battye, R. ;

Benabed, K. ;

Benoit, A. ;

Benoit-Levy, A. ;

Bernard, J. -P. ;

Bersanelli, M. ;

Bertincourt, B. ;

Bethermin, M. ;

Bielewicz, P. ;

Bikmaev, I. ;

Blanchard, A. ;

Bobin, J. ;

Bock, J. J. ;

Boehringer, H. ;

Bonaldi, A. ;

Bonavera, L. ;

Bond, J. R. ;

Borrill, J. ;

Bouchet, F. R. ;

Boulanger, F. ;

Bourdin, H. ;

Bowyer, J. W. ;

Bridges, M. ;

Brown, M. L. ;

Bucher, M. ;

Burenin, R. ;

Burigana, C. ;

Butler, R. C. ;

Calabrese, E. ;

Cappellini, B. ;

Cardoso, J. -F. ;

Carr, R. .

ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 2014, 571

[2] First Direct Detection Constraints on Planck-Scale Mass Dark Matter with Multiple-Scatter Signatures Using the DEAP-3600 Detector [J].

Adhikari, P. ;

Ajaj, R. ;

Alpizar-Venegas, M. ;

Auty, D. J. ;

Benmansour, H. ;

Bina, C. E. ;

Bonivento, W. ;

Boulay, M. G. ;

Cadeddu, M. ;

Cai, B. ;

Cardenas-Montes, M. ;

Cavuoti, S. ;

Chen, Y. ;

Cleveland, B. T. ;

Corning, J. M. ;

Daugherty, S. ;

DelGobbo, P. ;

Di Stefano, P. ;

Doria, L. ;

Dunford, M. ;

Ellingwood, E. ;

Erlandson, A. ;

Farahani, S. S. ;

Fatemighomi, N. ;

Fiorillo, G. ;

Gallacher, D. ;

Abia, P. Garcia ;

Garg, S. ;

Giampa, P. ;

Goeldi, D. ;

Gorel, P. ;

Graham, K. ;

Grobov, A. ;

Hallin, A. L. ;

Hamstra, M. ;

Hugues, T. ;

Ilyasov, A. ;

Joy, A. ;

Jigmeddorj, B. ;

Jillings, C. J. ;

Kamaev, O. ;

Kaur, G. ;

Kemp, A. ;

Kochanek, I ;

Lai, M. ;

Langrock, S. ;

Lehnert, B. ;

Leonhardt, A. ;

Levashko, N. ;

Li, X. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2022, 128 (01)

[3] Determining the bubble nucleation efficiency of low-energy nuclear recoils in superheated C3F8 dark matter detectors [J].

Ali, B. ;

Arnquist, I. J. ;

Baxter, D. ;

Behnke, E. ;

Bressler, M. ;

Broerman, B. ;

Clark, K. ;

Collar, J., I ;

Cooper, P. S. ;

Cripe, C. ;

Crisler, M. ;

Dahl, C. E. ;

Das, M. ;

Durnford, D. ;

Fallows, S. ;

Farine, J. ;

Filgas, R. ;

Garcia-Viltres, A. ;

Girard, F. ;

Giroux, G. ;

Harris, O. ;

Hoppe, E. W. ;

Jackson, C. M. ;

Jin, M. ;

Krauss, C. B. ;

Kumar, V ;

Lafreniere, M. ;

Laurin, M. ;

Lawson, I ;

Leblanc, A. ;

Leng, H. ;

Levine, I ;

Licciardi, C. ;

Linden, S. ;

Mitra, P. ;

Monette, V ;

Moore, C. ;

Neilson, R. ;

Noble, A. J. ;

Nozard, H. ;

Pal, S. ;

Piro, M-C ;

Plante, A. ;

Priya, S. ;

Rethmeier, C. ;

Robinson, A. E. ;

Savoie, J. ;

Scallon, O. ;

Sonnenschein, A. ;

Starinski, N. .

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[4] Results on photon-mediated dark-matter-nucleus interactions from the PICO-60 C3F8 bubble chamber [J].

Ali, B. ;

Arnquist, I. J. ;

Baxter, D. ;

Behnke, E. ;

Bressler, M. ;

Broerman, B. ;

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Collar, J., I ;

Cooper, P. S. ;

Cripe, C. ;

Crisler, M. ;

Dahl, C. E. ;

Das, M. ;

Durnford, D. ;

Fallows, S. ;

Farine, J. ;

Filgas, R. ;

Garcia-Viltres, A. ;

Giroux, G. ;

Harris, O. ;

Hillier, T. ;

Hoppe, E. W. ;

Jackson, C. M. ;

Jin, M. ;

Krauss, C. B. ;

Kumar, V ;

Laurin, M. ;

Lawson, I ;

Leblanc, A. ;

Leng, H. ;

Levine, I ;

Licciardi, C. ;

Linden, S. ;

Mitra, P. ;

Monette, V ;

Moore, C. ;

Neilson, R. ;

Noble, A. J. ;

Nozard, H. ;

Pal, S. ;

Piro, M-C ;

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Priya, S. ;

Rethmeier, C. ;

Robinson, A. E. ;

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Sonnenschein, A. ;

Starinski, N. ;

Stekl, I .

PHYSICAL REVIEW D, 2022, 106 (04)

[5] Data-driven modeling of electron recoil nucleation in PICO C3F8 bubble chambers [J].

Amole, C. ;

Ardid, M. ;

Arnquist, I. J. ;

Asner, D. M. ;

Baxter, D. ;

Behnke, E. ;

Bressler, M. ;

Broerman, B. ;

Cao, G. ;

Chen, C. J. ;

Chen, S. ;

Chowdhury, U. ;

Clark, K. ;

Collar, J., I ;

Cooper, P. S. ;

Coutu, C. B. ;

Cowles, C. ;

Crisler, M. ;

Crowder, G. ;

Cruz-Venegas, N. A. ;

Dahl, C. E. ;

Das, M. ;

Fallows, S. ;

Farine, J. ;

Filgas, R. ;

Fuentes, J. ;

Girard, F. ;

Giroux, G. ;

Hackett, B. ;

Hagen, A. ;

Hall, J. ;

Hardy, C. ;

Harris, O. ;

Hillier, T. ;

Hoppe, E. W. ;

Jackson, C. M. ;

Jin, M. ;

Klopfenstein, L. ;

Kozynets, T. ;

Krauss, C. B. ;

Laurin, M. ;

Lawson, I ;

Leblanc, A. ;

Levine, I ;

Licciardi, C. ;

Lippincott, W. H. ;

Loer, B. ;

Mamedov, F. ;

Mitra, P. ;

Moore, C. .

PHYSICAL REVIEW D, 2019, 100 (08)

[6] Dark matter search results from the complete exposure of the PICO-60 C3F8 bubble chamber [J].

Amole, C. ;

Ardid, M. ;

Arnquist, I. J. ;

Asner, D. M. ;

Baxter, D. ;

Behnke, E. ;

Bressler, M. ;

Broerman, B. ;

Cao, G. ;

Chen, C. J. ;

Chowdhury, U. ;

Clark, K. ;

Collar, J., I ;

Cooper, P. S. ;

Coutu, C. B. ;

Cowles, C. ;

Crisler, M. ;

Crowder, G. ;

Cruz-Venegas, N. A. ;

Dahl, C. E. ;

Das, M. ;

Follows, S. ;

Farine, J. ;

Felis, I ;

Filgas, R. ;

Girard, F. ;

Giroux, G. ;

Hall, J. ;

Hardy, C. ;

Harris, O. ;

Hillier, T. ;

Hoppe, E. W. ;

Jackson, C. M. ;

Jin, M. ;

Klopfenstein, L. ;

Kozynets, T. ;

Krauss, C. B. ;

Laurin, M. ;

Lawson, I ;

Leblanc, A. ;

Levine, I ;

Licciardi, C. ;

Lippincott, W. H. ;

Loer, B. ;

Mamedov, F. ;

Mitra, P. ;

Moore, C. ;

Nania, T. ;

Neilson, R. ;

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PHYSICAL REVIEW D, 2019, 100 (02)

[7] Dark Matter Search Results from the PICO-60C3F8 Bubble Chamber [J].

Amole, C. ;

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Baxter, D. ;

Behnke, E. ;

Bhattacharjee, P. ;

Borsodi, H. ;

Bou-Cabo, M. ;

Campion, P. ;

Cao, G. ;

Chen, C. J. ;

Chowdhury, U. ;

Clark, K. ;

Collar, J. I. ;

Cooper, P. S. ;

Crisler, M. ;

Crowder, G. ;

Dahl, C. E. ;

Das, M. ;

Fallows, S. ;

Farine, J. ;

Felis, I. ;

Filgas, R. ;

Girard, F. ;

Giroux, G. ;

Hall, J. ;

Harris, O. ;

Hoppe, E. W. ;

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Krauss, C. B. ;

Laurin, M. ;

Lawson, I. ;

Leblanc, A. ;

Levine, I. ;

Lippincott, W. H. ;

Mamedov, F. ;

Maurya, D. ;

Mitra, P. ;

Nania, T. ;

Neilson, R. ;

Noble, A. J. ;

Olson, S. ;

Ortega, A. ;

Plante, A. ;

Podviyanuk, R. ;

Priya, S. ;

Robinson, A. E. ;

Roeder, A. ;

Rucinski, R. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2017, 118 (25)

[8] Dark matter search results from the PICO-60 CF3I bubble chamber [J].

Amole, C. ;

Ardid, M. ;

Asner, D. M. ;

Baxter, D. ;

Behnke, E. ;

Bhattacharjee, P. ;

Borsodi, H. ;

Bou-Cabo, M. ;

Brice, S. J. ;

Broemmelsiek, D. ;

Clark, K. ;

Collar, J. I. ;

Cooper, P. S. ;

Crisler, M. ;

Dahl, C. E. ;

Daley, S. ;

Das, M. ;

Debris, F. ;

Dhungana, N. ;

Fallows, S. ;

Farine, J. ;

Felis, I. ;

Filgas, R. ;

Girard, F. ;

Giroux, G. ;

Grandison, A. ;

Hai, M. ;

Hall, J. ;

Harris, O. ;

Jin, M. ;

Krauss, C. B. ;

Lafreniere, M. ;

Laurin, M. ;

Lawson, I. ;

Levine, I. ;

Lippincott, W. H. ;

Mann, E. ;

Maurya, D. ;

Mitra, P. ;

Neilson, R. ;

Noble, A. J. ;

Plante, A. ;

Podviianiuk, R. B. ;

Priya, S. ;

Ramberg, E. ;

Robinson, A. E. ;

Rucinski, R. ;

Ruschman, M. ;

Scallon, O. ;

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[9] Sneutrino Dark Matter in Gauged Inverse Seesaw Models for Neutrinos [J].

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PHYSICAL REVIEW C, 2014, 89 (06)

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共 56 条

[1] Planck 2013 results. I. Overview of products and scientific results [J].

Ade, P. A. R. ;

Aghanim, N. ;

Alves, M. I. R. ;

Armitage-Caplan, C., I ;

Amaud, M. ;

Ashdown, M. ;

Atrio-Barandela, F. ;

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Ausse, H. ;

Baccigalupi, C. ;

Banday, A. J. ;

Barreiro, R. B. ;

Barrenass, R. ;

Bartelmann, M. ;

Bartlett, J. G. ;

Bartolo, N. ;

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Battye, R. ;

Benabed, K. ;

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Benoit-Levy, A. ;

Bernard, J. -P. ;

Bersanelli, M. ;

Bertincourt, B. ;

Bethermin, M. ;

Bielewicz, P. ;

Bikmaev, I. ;

Blanchard, A. ;

Bobin, J. ;

Bock, J. J. ;

Boehringer, H. ;

Bonaldi, A. ;

Bonavera, L. ;

Bond, J. R. ;

Borrill, J. ;

Bouchet, F. R. ;

Boulanger, F. ;

Bourdin, H. ;

Bowyer, J. W. ;

Bridges, M. ;

Brown, M. L. ;

Bucher, M. ;

Burenin, R. ;

Burigana, C. ;

Butler, R. C. ;

Calabrese, E. ;

Cappellini, B. ;

Cardoso, J. -F. ;

Carr, R. .

ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 2014, 571

[2] First Direct Detection Constraints on Planck-Scale Mass Dark Matter with Multiple-Scatter Signatures Using the DEAP-3600 Detector [J].

Adhikari, P. ;

Ajaj, R. ;

Alpizar-Venegas, M. ;

Auty, D. J. ;

Benmansour, H. ;

Bina, C. E. ;

Bonivento, W. ;

Boulay, M. G. ;

Cadeddu, M. ;

Cai, B. ;

Cardenas-Montes, M. ;

Cavuoti, S. ;

Chen, Y. ;

Cleveland, B. T. ;

Corning, J. M. ;

Daugherty, S. ;

DelGobbo, P. ;

Di Stefano, P. ;

Doria, L. ;

Dunford, M. ;

Ellingwood, E. ;

Erlandson, A. ;

Farahani, S. S. ;

Fatemighomi, N. ;

Fiorillo, G. ;

Gallacher, D. ;

Abia, P. Garcia ;

Garg, S. ;

Giampa, P. ;

Goeldi, D. ;

Gorel, P. ;

Graham, K. ;

Grobov, A. ;

Hallin, A. L. ;

Hamstra, M. ;

Hugues, T. ;

Ilyasov, A. ;

Joy, A. ;

Jigmeddorj, B. ;

Jillings, C. J. ;

Kamaev, O. ;

Kaur, G. ;

Kemp, A. ;

Kochanek, I ;

Lai, M. ;

Langrock, S. ;

Lehnert, B. ;

Leonhardt, A. ;

Levashko, N. ;

Li, X. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2022, 128 (01)

[3] Determining the bubble nucleation efficiency of low-energy nuclear recoils in superheated C3F8 dark matter detectors [J].

Ali, B. ;

Arnquist, I. J. ;

Baxter, D. ;

Behnke, E. ;

Bressler, M. ;

Broerman, B. ;

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Cripe, C. ;

Crisler, M. ;

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Das, M. ;

Durnford, D. ;

Fallows, S. ;

Farine, J. ;

Filgas, R. ;

Garcia-Viltres, A. ;

Girard, F. ;

Giroux, G. ;

Harris, O. ;

Hoppe, E. W. ;

Jackson, C. M. ;

Jin, M. ;

Krauss, C. B. ;

Kumar, V ;

Lafreniere, M. ;

Laurin, M. ;

Lawson, I ;

Leblanc, A. ;

Leng, H. ;

Levine, I ;

Licciardi, C. ;

Linden, S. ;

Mitra, P. ;

Monette, V ;

Moore, C. ;

Neilson, R. ;

Noble, A. J. ;

Nozard, H. ;

Pal, S. ;

Piro, M-C ;

Plante, A. ;

Priya, S. ;

Rethmeier, C. ;

Robinson, A. E. ;

Savoie, J. ;

Scallon, O. ;

Sonnenschein, A. ;

Starinski, N. .

PHYSICAL REVIEW D, 2022, 106 (12)

[4] Results on photon-mediated dark-matter-nucleus interactions from the PICO-60 C3F8 bubble chamber [J].

Ali, B. ;

Arnquist, I. J. ;

Baxter, D. ;

Behnke, E. ;

Bressler, M. ;

Broerman, B. ;

Chen, C. J. ;

Clark, K. ;

Collar, J., I ;

Cooper, P. S. ;

Cripe, C. ;

Crisler, M. ;

Dahl, C. E. ;

Das, M. ;

Durnford, D. ;

Fallows, S. ;

Farine, J. ;

Filgas, R. ;

Garcia-Viltres, A. ;

Giroux, G. ;

Harris, O. ;

Hillier, T. ;

Hoppe, E. W. ;

Jackson, C. M. ;

Jin, M. ;

Krauss, C. B. ;

Kumar, V ;

Laurin, M. ;

Lawson, I ;

Leblanc, A. ;

Leng, H. ;

Levine, I ;

Licciardi, C. ;

Linden, S. ;

Mitra, P. ;

Monette, V ;

Moore, C. ;

Neilson, R. ;

Noble, A. J. ;

Nozard, H. ;

Pal, S. ;

Piro, M-C ;

Plante, A. ;

Priya, S. ;

Rethmeier, C. ;

Robinson, A. E. ;

Savoie, J. ;

Sonnenschein, A. ;

Starinski, N. ;

Stekl, I .

PHYSICAL REVIEW D, 2022, 106 (04)

[5] Data-driven modeling of electron recoil nucleation in PICO C3F8 bubble chambers [J].

Amole, C. ;

Ardid, M. ;

Arnquist, I. J. ;

Asner, D. M. ;

Baxter, D. ;

Behnke, E. ;

Bressler, M. ;

Broerman, B. ;

Cao, G. ;

Chen, C. J. ;

Chen, S. ;

Chowdhury, U. ;

Clark, K. ;

Collar, J., I ;

Cooper, P. S. ;

Coutu, C. B. ;

Cowles, C. ;

Crisler, M. ;

Crowder, G. ;

Cruz-Venegas, N. A. ;

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Fuentes, J. ;

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Lippincott, W. H. ;

Loer, B. ;

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Mitra, P. ;

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PHYSICAL REVIEW D, 2019, 100 (08)

[6] Dark matter search results from the complete exposure of the PICO-60 C3F8 bubble chamber [J].

Amole, C. ;

Ardid, M. ;

Arnquist, I. J. ;

Asner, D. M. ;

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Giroux, G. ;

Hall, J. ;

Hardy, C. ;

Harris, O. ;

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Amole, C. ;

Ardid, M. ;

Asner, D. M. ;

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Behnke, E. ;

Bhattacharjee, P. ;

Borsodi, H. ;

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Clark, K. ;

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Cooper, P. S. ;

Crisler, M. ;

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Das, M. ;

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Fallows, S. ;

Farine, J. ;

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Jin, M. ;

Krauss, C. B. ;

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Levine, I. ;

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