Searching for low-mass dark matter via the Migdal effect in COSINE-100

被引:26
作者
Adhikari, G. [1 ]
Carlin, N. [2 ]
Choi, J. J. [3 ]
Choi, S. [3 ]
Ezeribe, A. C. [4 ]
Franca, L. E. [2 ]
Ha, C. [5 ]
Hahn, I. S. [6 ,7 ,8 ]
Hollick, S. J. [9 ,10 ]
Jeon, E. J. [11 ]
Jo, J. H. [9 ,10 ]
Joo, H. W. [3 ]
Kang, W. G. [11 ]
Kauer, M. [12 ,13 ]
Kim, H. [11 ]
Kim, H. J. [14 ]
Kim, J. [5 ]
Kim, K. W. [11 ]
Kim, S. H. [11 ]
Kim, S. K. [3 ]
Kim, W. K. [8 ,11 ]
Kim, Y. D. [8 ,11 ,15 ]
Kim, Y. H. [8 ,11 ,16 ]
Ko, Y. J. [11 ]
Kwon, H. J. [8 ,11 ]
Lee, D. H. [14 ]
Lee, E. K. [11 ]
Lee, H. [8 ,11 ]
Lee, H. S. [8 ,11 ]
Lee, H. Y. [11 ]
Lee, I. S. [11 ]
Lee, J. [11 ]
Lee, J. Y. [14 ]
Lee, M. H. [8 ,11 ]
Lee, S. H. [8 ,11 ]
Lee, S. M. [3 ]
Leonard, D. S. [11 ]
Manzato, B. B. [2 ]
Maruyama, R. H. [9 ,10 ]
Neal, R. J. [4 ]
Olsen, S. L. [11 ]
Park, B. J. [8 ,11 ]
Park, H. K. [17 ]
Park, H. S. [16 ]
Park, K. S. [11 ]
Park, S. D. [14 ]
Pitta, R. L. C. [2 ]
Prihtiadi, H. [11 ]
Ra, S. J. [11 ]
Rott, C. [18 ,19 ]
机构
[1] Univ Calif San Diego, Dept Phys, La Jolla, CA 92093 USA
[2] Univ Sao Paulo, Phys Inst, BR-05508090 Sao Paulo, Brazil
[3] Seoul Natl Univ, Dept Phys & Astron, Seoul 08826, South Korea
[4] Univ Sheffield, Dept Phys & Astron, Sheffield S3 7RH, S Yorkshire, England
[5] Chung Ang Univ, Dept Phys, Seoul 06973, South Korea
[6] Ewha Womans Univ, Dept Sci Educ, Seoul 03760, South Korea
[7] Inst Basic Sci IBS, Ctr Exot Nucl Studies, Daejeon 34126, South Korea
[8] Univ Sci & Technol UST, IBS Sch, Daejeon 34113, South Korea
[9] Yale Univ, Dept Phys, New Haven, CT 06520 USA
[10] Yale Univ, Wright Lab, New Haven, CT 06520 USA
[11] Inst Basic Sci IBS, Ctr Underground Phys, Daejeon 34126, South Korea
[12] Univ Wisconsin, Dept Phys, Madison, WI 53706 USA
[13] Univ Wisconsin, Wisconsin IceCube Particle Astrophys Ctr, Madison, WI 53706 USA
[14] Kyungpook Natl Univ, Dept Phys, Daegu 41566, South Korea
[15] Sejong Univ, Dept Phys, Seoul 05006, South Korea
[16] Korea Res Inst Stand & Sci, Daejeon 34113, South Korea
[17] Korea Univ, Dept Accelerator Sci, Sejong 30019, South Korea
[18] Sungkyunkwan Univ, Dept Phys, Suwon 16419, South Korea
[19] Univ Utah, Dept Phys & Astron, Salt Lake City, UT 84112 USA
基金
巴西圣保罗研究基金会;
关键词
CRYSTAL;
D O I
10.1103/PhysRevD.105.042006
中图分类号
P1 [天文学];
学科分类号
0704 ;
摘要
We report on the search for weakly interacting massive particle (WIMP) dark matter candidates in the galactic halo that interact with sodium and iodine nuclei in the COSINE-100 experiment and produce energetic electrons that accompany recoil nuclei via the Migdal effect. The WIMP mass sensitivity of previous COSINE-100 searches that relied on the detection of ionization signals produced by target nuclei recoiling from elastic WIMP-nucleus scattering was restricted to WIMP masses above similar to 5 GeV/c(2) by the detectors' 1 keVee energy-electron-equivalent threshold. The search reported here looks for recoil signals enhanced by the Migdal electrons that are ejected during the scattering process. This is particularly effective for the detection of low-mass WIMP scattering from the crystals' sodium nuclei in which a relatively larger fraction of the WIMP's energy is transferred to the nucleus recoil energy and the excitation of its orbital electrons. In this analysis, the low-mass WIMP search window of the COSINE-100 experiment is extended to WIMP mass down to 200 MeV/c(2). The low-mass WIMP sensitivity will be further improved by lowering the analysis threshold based on a multivariable analysis technique. We consider the influence of these improvements and recent developments in detector performance to reevaluate sensitivities for the future COSINE-200 experiment. With a 0.2 keVee analysis threshold and high light-yield NaI(Tl) detectors (22 photoelectrons/keVee), the COSINE-200 experiment can explore low-mass WIMPs down to 20 MeV/c(2) and probe previously unexplored regions of parameter space.
引用
收藏
页数:10
相关论文
共 77 条
[1]  
Abdelhameed AH, 2020, EUR PHYS J C, V80, DOI 10.1140/epjc/s10052-020-8329-4
[2]   First results from the CRESST-III low-mass dark matter program [J].
Abdelhameed, A. H. ;
Angloher, G. ;
Bauer, P. ;
Bento, A. ;
Bertoldo, E. ;
Bucci, C. ;
Canonica, L. ;
D'Addabbo, A. ;
Defay, X. ;
Di Lorenzo, S. ;
Erb, A. ;
Feilitzsch, F. v ;
Fichtinger, S. ;
Iachellini, N. Ferreiro ;
Fuss, A. ;
Gorla, P. ;
Hauff, D. ;
Jochum, J. ;
Kinast, A. ;
Kluck, H. ;
Kraus, H. ;
Langenkaemper, A. ;
Mancuso, M. ;
Mokina, V ;
Mondragon, E. ;
Muenster, A. ;
Olmi, M. ;
Ortmann, T. ;
Pagliarone, C. ;
Pattavina, L. ;
Petricca, F. ;
Potzel, W. ;
Proebst, F. ;
Reindl, F. ;
Rothe, J. ;
Schaffner, K. ;
Schieck, J. ;
Schipperges, V ;
Schmiedmayer, D. ;
Schoenert, S. ;
Schwertner, C. ;
Stahlberg, M. ;
Stodolsky, L. ;
Strandhagen, C. ;
Strauss, R. ;
Tuerkoglu, C. ;
Usherov, I ;
Willers, M. ;
Zema, V .
PHYSICAL REVIEW D, 2019, 100 (10)
[3]   Planck 2015 results XIII. Cosmological parameters [J].
Ade, P. A. R. ;
Aghanim, N. ;
Arnaud, M. ;
Ashdown, M. ;
Aumont, J. ;
Baccigalupi, C. ;
Banday, A. J. ;
Barreiro, R. B. ;
Bartlett, J. G. ;
Bartolo, N. ;
Battaner, E. ;
Battye, R. ;
Benabed, K. ;
Benoit, A. ;
Benoit-Levy, A. ;
Bernard, J. -P. ;
Bersanelli, M. ;
Bielewicz, P. ;
Bock, J. J. ;
Bonaldi, A. ;
Bonavera, L. ;
Bond, J. R. ;
Borrill, J. ;
Bouchet, F. R. ;
Boulanger, F. ;
Bucher, M. ;
Burigana, C. ;
Butler, R. C. ;
Calabrese, E. ;
Cardoso, J. -F. ;
Catalano, A. ;
Challinor, A. ;
Chamballu, A. ;
Chary, R. -R. ;
Chiang, H. C. ;
Chluba, J. ;
Christensen, P. R. ;
Church, S. ;
Clements, D. L. ;
Colombi, S. ;
Colombo, L. P. L. ;
Combet, C. ;
Coulais, A. ;
Crill, B. P. ;
Curto, A. ;
Cuttaia, F. ;
Danese, L. ;
Davies, R. D. ;
Davis, R. J. ;
de Bernardis, P. .
ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 2016, 594
[4]   The COSINE-100 data acquisition system [J].
Adhikar, G. ;
Adhikari, P. ;
de Souza, E. Barbosa ;
Carlin, N. ;
Choi, S. ;
Choi, W. ;
Djamal, M. ;
Ezeribe, A. C. ;
Ha, C. ;
Hahn, I. S. ;
Hubbard, A. J. F. ;
Jeon, E. J. ;
Jo, J. H. ;
Joo, H. W. ;
Kang, W. G. ;
Kang, W. S. ;
Kauer, M. ;
Kim, H. ;
Kim, H. J. ;
Kim, K. W. ;
Kim, M. C. ;
Kim, N. Y. ;
Kim, S. K. ;
Kim, Y. D. ;
Kim, Y. H. ;
Kudryavtsev, V. A. ;
Lee, H. S. ;
Lee, J. ;
Lee, M. H. ;
Lim, K. E. ;
Leonard, D. S. ;
Maruyama, R. H. ;
Mouton, F. ;
Na, S. ;
Olsen, S. L. ;
Park, H. K. ;
Park, H. S. ;
Park, J. S. ;
Park, K. S. ;
Pettus, W. ;
Prihtiadi, H. ;
Rott, C. ;
Scarff, A. ;
Spooner, N. J. C. ;
Thompson, W. G. ;
Yang, L. .
JOURNAL OF INSTRUMENTATION, 2018, 13
[5]   Background modeling for dark matter search with 1.7 years of COSINE-100 data [J].
Adhikari, G. ;
de Souza, E. Barbosa ;
Carlin, N. ;
Choi, J. J. ;
Choi, S. ;
Djamal, M. ;
Ezeribe, A. C. ;
Franca, L. E. ;
Ha, C. ;
Hahn, I. S. ;
Jeon, E. J. ;
Jo, J. H. ;
Joo, H. W. ;
Kang, W. G. ;
Kauer, M. ;
Kim, H. ;
Kim, H. J. ;
Kim, K. W. ;
Kim, S. H. ;
Kim, S. K. ;
Kim, W. K. ;
Kim, Y. D. ;
Kim, Y. H. ;
Ko, Y. J. ;
Lee, E. K. ;
Lee, H. ;
Lee, H. S. ;
Lee, H. Y. ;
Lee, I. S. ;
Lee, J. ;
Lee, J. Y. ;
Lee, M. H. ;
Lee, S. H. ;
Lee, S. M. ;
Leonard, D. S. ;
Lynch, W. A. ;
Manzato, B. B. ;
Maruyama, R. H. ;
Neal, R. J. ;
Olsen, S. L. ;
Park, B. J. ;
Park, H. K. ;
Park, H. S. ;
Park, K. S. ;
Pitta, R. L. C. ;
Prihtiadi, H. ;
Ra, S. J. ;
Rott, C. ;
Shin, K. A. ;
Scarff, A. .
EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL C, 2021, 81 (09)
[6]   The COSINE-100 liquid scintillator veto system [J].
Adhikari, G. ;
Souza, E. Barbosa de ;
Carlin, N. ;
Choi, J. J. ;
Choi, S. ;
Djamal, M. ;
Ezeribe, A. C. ;
Franca, L. E. ;
Ha, C. ;
Hahn, I. S. ;
Jeon, E. J. ;
Jo, J. H. ;
Kang, W. G. ;
Kauer, M. ;
Kim, H. ;
Kim, H. J. ;
Kim, K. W. ;
Kim, S. K. ;
Kim, Y. D. ;
Kim, Y. H. ;
Ko, Y. J. ;
Lee, E. K. ;
Lee, H. S. ;
Lee, J. ;
Lee, J. Y. ;
Lee, M. H. ;
Lee, S. H. ;
Leonard, D. S. ;
Manzato, B. B. ;
Maruyama, R. H. ;
Neal, R. J. ;
Olsen, S. L. ;
Park, B. J. ;
Park, H. K. ;
Park, H. S. ;
Park, K. S. ;
Pitta, R. L. C. ;
Prihtiadi, H. ;
Ra, S. J. ;
Rott, C. ;
Shin, K. A. ;
Scarff, A. ;
Spooner, N. J. C. ;
Thompson, W. G. ;
Yang, L. ;
Yu, G. H. .
NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH SECTION A-ACCELERATORS SPECTROMETERS DETECTORS AND ASSOCIATED EQUIPMENT, 2021, 1006
[7]   Lowering the energy threshold in COSINE-100 dark matter searches [J].
Adhikari, G. ;
de Souza, E. Barbosa ;
Carlin, N. ;
Choi, J. J. ;
Choi, S. ;
Djamal, M. ;
Ezeribe, A. C. ;
Franca, L. E. ;
Ha, C. ;
Hahn, I. S. ;
Jeon, E. J. ;
Jo, J. H. ;
Kang, W. G. ;
Kauer, M. ;
Kim, H. ;
Kim, H. J. ;
Kim, K. W. ;
Kim, S. K. ;
Kim, Y. D. ;
Kim, Y. H. ;
Ko, Y. J. ;
Lee, E. K. ;
Lee, H. S. ;
Lee, J. ;
Lee, J. Y. ;
Lee, M. H. ;
Lee, S. H. ;
Leonard, D. S. ;
Manzato, B. B. ;
Maruyama, R. H. ;
Neal, R. J. ;
Olsen, S. L. ;
Park, B. J. ;
Park, H. K. ;
Park, H. S. ;
Park, K. S. ;
Pitta, R. L. C. ;
Prihtiadi, H. ;
Ra, S. J. ;
Rott, C. ;
Shin, K. A. ;
Scarff, A. ;
Spooner, N. J. C. ;
Thompson, W. G. ;
Yang, L. ;
Yu, G. H. .
ASTROPARTICLE PHYSICS, 2021, 130
[8]   Search for a Dark Matter-Induced Annual Modulation Signal in NaI(Tl) with the COSINE-100 Experiment [J].
Adhikari, G. ;
Adhikari, P. ;
de Souza, E. Barbosa ;
Carlin, N. ;
Choi, S. ;
Djamal, M. ;
Ezeribe, A. C. ;
Ha, C. ;
Hahn, I. S. ;
Jeon, E. J. ;
Jo, J. H. ;
Joo, H. W. ;
Kang, W. G. ;
Kang, W. ;
Kauer, M. ;
Kim, G. S. ;
Kim, H. ;
Kim, H. J. ;
Kim, K. W. ;
Kim, N. Y. ;
Kim, S. K. ;
Kim, Y. D. ;
Kim, Y. H. ;
Ko, Y. J. ;
Kudryavtsev, V. A. ;
Lee, H. S. ;
Lee, J. ;
Lee, J. Y. ;
Lee, M. H. ;
Leonard, D. S. ;
Lynch, W. A. ;
Maruyama, R. H. ;
Mouton, F. ;
Olsen, S. L. ;
Park, B. J. ;
Park, H. K. ;
Park, H. S. ;
Park, K. S. ;
Pitta, R. L. C. ;
Prihtiadi, H. ;
Ra, S. J. ;
Rott, C. ;
Shin, K. A. ;
Scarff, A. ;
Spooner, N. J. C. ;
Thompson, W. G. ;
Yang, L. ;
Yu, G. H. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2019, 123 (03)
[9]   COSINE-100 and DAMA/LIBRA-phase2 in WIMP effective models [J].
Adhikari, G. ;
Adhikari, P. ;
de Souza, E. Barbosa ;
Carlin, N. ;
Choi, S. ;
Djamal, M. ;
Ezeribe, A. C. ;
Ha, C. ;
Hahn, I. S. ;
Jeon, E. J. ;
Jo, J. H. ;
Joo, H. W. ;
Kang, W. G. ;
Kang, W. ;
Kauer, M. ;
Kim, G. S. ;
Kim, H. ;
Kim, H. J. ;
Kim, K. W. ;
Kim, N. Y. ;
Kim, S. K. ;
Kim, Y. D. ;
Kim, Y. H. ;
Ko, Y. J. ;
Kudryavtsev, V. A. ;
Lee, H. S. ;
Lee, J. ;
Lee, J. Y. ;
Lee, M. H. ;
Leonard, D. S. ;
Lynch, W. A. ;
Maruyama, R. H. ;
Mouton, F. ;
Olsen, S. L. ;
Park, B. J. ;
Park, H. K. ;
Park, H. S. ;
Park, K. S. ;
Pitta, R. L. C. ;
Prihtiadi, H. ;
Ra, S. J. ;
Rott, C. ;
Shin, K. A. ;
Scarff, A. ;
Spooner, N. J. C. ;
Thompson, W. G. ;
Yang, L. ;
Yu, G. H. ;
Kang, Sunghyun ;
Scopel, Stefano .
JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS, 2019, (06)
[10]   Initial performance of the COSINE-100 experiment [J].
Adhikari, G. ;
Adhikari, P. ;
de Souza, E. Barbosa ;
Carlin, N. ;
Choi, S. ;
Choi, W. Q. ;
Djamal, M. ;
Ezeribe, A. C. ;
Ha, C. ;
Hahn, I. S. ;
Hubbard, A. J. F. ;
Jeon, E. J. ;
Jo, J. H. ;
Joo, H. W. ;
Kang, W. G. ;
Kang, W. ;
Kauer, M. ;
Kim, B. H. ;
Kim, H. ;
Kim, H. J. ;
Kim, K. W. ;
Kim, M. C. ;
Kim, N. Y. ;
Kim, S. K. ;
Kim, Y. D. ;
Kim, Y. H. ;
Kudryavtsev, V. A. ;
Lee, H. S. ;
Lee, J. ;
Lee, J. Y. ;
Lee, M. H. ;
Leonard, D. S. ;
Lim, K. E. ;
Lynch, W. A. ;
Maruyama, R. H. ;
Mouton, F. ;
Olsen, S. L. ;
Park, H. K. ;
Park, H. S. ;
Park, J. S. ;
Park, K. S. ;
Pettus, W. ;
Pierpoint, Z. P. ;
Prihtiadi, H. ;
Ra, S. ;
Rogers, F. R. ;
Rott, C. ;
Scarff, A. ;
Spooner, N. J. C. ;
Thompson, W. G. .
EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL C, 2018, 78 (02)