Electron ionization via dark matter-electron scattering and the Migdal effect

被引:82
作者
Baxter, Daniel [1 ,2 ]
Kahn, Yonatan [1 ,3 ]
Krnjaic, Gordan [4 ]
机构
[1] Univ Chicago, Kavli Inst Cosmol Phys, Chicago, IL 60637 USA
[2] Univ Chicago, Enrico Fermi Inst, 5640 S Ellis Ave, Chicago, IL 60637 USA
[3] Univ Illinois, Urbana, IL 61820 USA
[4] Fermilab Natl Accelerator Lab, POB 500, Batavia, IL 60510 USA
关键词
SEARCH;
D O I
10.1103/PhysRevD.101.076014
中图分类号
P1 [天文学];
学科分类号
0704 ;
摘要
There are currently several existing and proposed experiments designed to probe sub-GeV dark matter (DM) using electron ionization in various materials. The projected signal rates for these experiments assume that this ionization yield arises only from DM scattering directly off electron targets, ignoring secondary ionization contributions from DM scattering off nuclear targets. We investigate the validity of this assumption and show that if sub-GeV DM couples with comparable strength to both protons and electrons, as would be the case for a dark photon mediator, the ionization signal from atomic scattering via the Migdal effect scales with the atomic number Z and 3-momentum transfer q as Z(2)q(2). The result is that the Migdal effect is always subdominant to electron scattering when the mediator is light, but that Migdal-induced ionization can dominate over electron scattering for heavy mediators and DM masses in the hundreds of MeV range. We put these two ionization processes on identical theoretical footing, address some theoretical uncertainties in the choice of atomic wave functions used to compute rates, and discuss the implications for DM scenarios where the Migdal process dominates, including for XENON10, XENON100, and the recent XENON1T results on light DM scattering.
引用
收藏
页数:12
相关论文
共 81 条
[1]   SENSEI: Direct-Detection Constraints on Sub-GeV Dark Matter from a Shallow Underground Run Using a Prototype Skipper CCD [J].
Abramoff, Orr ;
Barak, Liron ;
Bloch, Itay M. ;
Chaplinsky, Luke ;
Crisler, Michael ;
Dawa ;
Drlica-Wagner, Alex ;
Essig, Rouven ;
Estrada, Juan ;
Etzion, Erez ;
Fernandez, Guillermo ;
Gift, Daniel ;
Sofo-Haro, Miguel ;
Taenzer, Joseph ;
Tiffenberg, Javier ;
Volansky, Tomer ;
Yu, Tien-Tien .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2019, 122 (16)
[2]   Constraints on Sub-GeV Dark-Matter-Electron Scattering from the DarkSide-50 Experiment [J].
Agnes, P. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Alexander, T. ;
Alton, A. K. ;
Araujo, G. R. ;
Asner, D. M. ;
Ave, M. ;
Back, H. O. ;
Baldin, B. ;
Batignani, G. ;
Biery, K. ;
Bocci, V. ;
Bonfini, G. ;
Bonivento, W. ;
Bottino, B. ;
Budano, F. ;
Bussino, S. ;
Cadeddu, M. ;
Cadoni, M. ;
Calaprice, F. ;
Caminata, A. ;
Canci, N. ;
Candela, A. ;
Caravati, M. ;
Cariello, M. ;
Carlini, M. ;
Carpinelli, M. ;
Catalanotti, S. ;
Cataudella, V. ;
Cavalcante, P. ;
Cavuoti, S. ;
Cereseto, R. ;
Chepurnov, A. ;
Cicalo, C. ;
Cifarelli, L. ;
Cocco, A. G. ;
Covone, G. ;
D'Angelo, D. ;
D'Incecco, M. ;
D'Urso, D. ;
Davini, S. ;
De Candia, A. ;
De Cecco, S. ;
De Deo, M. ;
De Filippis, G. ;
De Rosa, G. ;
De Vincenzi, M. ;
Demontis, P. ;
Derbin, A. V. ;
Devoto, A. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2018, 121 (11)
[3]   First Dark Matter Constraints from a SuperCDMS Single-Charge Sensitive Detector (vol 121, 051301, 2018) [J].
Agnese, R. ;
Aralis, T. ;
Aramaki, T. ;
Arnquist, I. J. ;
Azadbakht, E. ;
Baker, W. ;
Banik, S. ;
Barker, D. ;
Bauer, D. A. ;
Binder, T. ;
Bowles, M. A. ;
Brink, P. L. ;
Bunker, R. ;
Cabrera, B. ;
Calkins, R. ;
Cartaro, C. ;
Cerdeno, D. G. ;
Chang, Y. -Y. ;
Cooley, J. ;
Cornell, B. ;
Cushman, P. ;
Di Stefano, P. C. F. ;
Doughty, T. ;
Fascione, E. ;
Figueroa-Feliciano, E. ;
Fink, C. ;
Fritts, M. ;
Gerbier, G. ;
Germond, R. ;
Ghaith, M. ;
Golwala, S. R. ;
Harris, H. R. ;
Hong, Z. ;
Hoppe, E. W. ;
Hsu, L. ;
Huber, M. E. ;
Iyer, V. ;
Jardin, D. ;
Jena, C. ;
Kelsey, M. H. ;
Kennedy, A. ;
Kubik, A. ;
Kurinsky, N. A. ;
Lawrence, R. E. ;
Leyva, J. V. ;
Loer, B. ;
Asamar, E. Lopez ;
Lukens, P. ;
MacDonell, D. ;
Mahapatra, R. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2019, 122 (06)
[4]   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. ;
Bauer, D. A. ;
Binder, T. ;
Bowles, M. A. ;
Brink, P. L. ;
Bunker, R. ;
Cabrera, B. ;
Calkins, R. ;
Cartaro, C. ;
Cerdeno, D. G. ;
Chang, Y. -Y. ;
Cooley, J. ;
Cornell, B. ;
Cushman, P. ;
Di Stefano, P. C. F. ;
Doughty, T. ;
Fascione, E. ;
Figueroa-Feliciano, E. ;
Fink, C. ;
Fritts, M. ;
Gerbier, G. ;
Germond, R. ;
Ghaith, M. ;
Golwala, S. R. ;
Harris, H. R. ;
Hong, Z. ;
Hoppe, E. W. ;
Hsu, L. ;
Huber, M. E. ;
Iyer, V. ;
Jardin, D. ;
Jena, C. ;
Kelsey, M. H. ;
Kennedy, A. ;
Kubik, A. ;
Kurinsky, N. A. ;
Lawrence, R. E. ;
Leyva, J. V. ;
Loer, B. ;
Asamar, E. Lopez ;
Lukens, P. ;
MacDonell, D. ;
Mahapatra, R. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2018, 121 (05)
[5]   Constraints on Light Dark Matter Particles Interacting with Electrons from DAMIC at SNOLAB [J].
Aguilar-Arevalo, A. ;
Amidei, D. ;
Baxter, D. ;
Cancelo, G. ;
Cervantes Vergara, B. A. ;
Chavarria, A. E. ;
Darragh-Ford, E. ;
de Mello Neto, J. R. T. ;
D'Olivo, J. C. ;
Estrada, J. ;
Gaior, R. ;
Guardincerri, Y. ;
Hossbach, T. W. ;
Kilminster, B. ;
Lawson, I ;
Lee, S. J. ;
Letessier-Selvon, A. ;
Matalon, A. ;
Mello, V. B. B. ;
Mitra, P. ;
Molina, J. ;
Paul, S. ;
Piers, A. ;
Privitera, P. ;
Ramanathan, K. ;
Da Rocha, J. ;
Sarkis, Y. ;
Settimo, M. ;
Smida, R. ;
Thomas, R. ;
Tiffenberg, J. ;
Tones Machado, D. ;
Vilar, R. ;
Virto, A. L. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2019, 123 (18)
[6]   Dark matter search in nucleon, pion, and electron channels from a proton beam dump with MiniBooNE [J].
Aguilar-Arevalo, A. A. ;
Backfish, M. ;
Bashyal, A. ;
Batell, B. ;
Brown, B. C. ;
Carr, R. ;
Chatterjee, A. ;
Cooper, R. L. ;
deNiverville, P. ;
Dharmapalan, R. ;
Djurcic, Z. ;
Ford, R. ;
Garcia, F. G. ;
Garvey, G. T. ;
Grange, J. ;
Green, J. A. ;
Huang, E. -C. ;
Huelsnitz, W. ;
de Icaza Astiz, I. L. ;
Karagiorgi, G. ;
Katori, T. ;
Ketchum, W. ;
Kobilarcik, T. ;
Liu, Q. ;
Louis, W. C. ;
Marsh, W. ;
Moore, C. D. ;
Mills, G. B. ;
Mirabal, J. ;
Nienaber, P. ;
Pavlovic, Z. ;
Perevalov, D. ;
Ray, H. ;
Roe, B. P. ;
Shaevitz, M. H. ;
Shahsavarani, S. ;
Stancu, I. ;
Tayloe, R. ;
Taylor, C. ;
Thornton, R. T. ;
Van de Water, R. G. ;
Wester, W. ;
White, D. H. ;
Yu, J. .
PHYSICAL REVIEW D, 2018, 98 (11)
[7]   Results of a Search for Sub-GeV Dark Matter Using 2013 LUX Data [J].
Akerib, D. S. ;
Alsum, S. ;
Araujo, H. M. ;
Bai, X. ;
Balajthy, J. ;
Beltrame, P. ;
Bernard, E. P. ;
Bernstein, A. ;
Biesiadzinski, T. P. ;
Boulton, E. M. ;
Boxer, B. ;
Bras, P. ;
Burdin, S. ;
Byram, D. ;
Carmona-Benitez, M. C. ;
Chan, C. ;
Cutter, J. E. ;
Davison, T. J. R. ;
Druszkiewicz, E. ;
Fallon, S. R. ;
Fan, A. ;
Fiorucci, S. ;
Gaitskell, R. J. ;
Genovesi, J. ;
Ghag, C. ;
Gilchriese, M. G. D. ;
Gwilliam, C. ;
Hall, C. R. ;
Haselschwardt, S. J. ;
Hertel, S. A. ;
Hogan, D. P. ;
Horn, M. ;
Huang, D. Q. ;
Ignarra, C. M. ;
Jacobsen, R. G. ;
Jahangir, O. ;
Ji, W. ;
Kamdin, K. ;
Kazkaz, K. ;
Khaitan, D. ;
Knoche, R. ;
Korolkova, E., V ;
Kravitz, S. ;
Kudryavtsev, V. A. ;
Lenardo, B. G. ;
Lesko, K. T. ;
Liao, J. ;
Lin, J. ;
Lindote, A. ;
Lopes, M., I .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2019, 122 (13)
[8]   Ultralow energy calibration of LUX detector using 127Xe electron capture [J].
Akerib, D. S. ;
Alsum, S. ;
Araujo, H. M. ;
Bai, X. ;
Bailey, A. J. ;
Balaithy, J. ;
Beltrame, P. ;
Bernard, E. P. ;
Bernstein, A. ;
Biesiadzinski, T. P. ;
Boulton, E. M. ;
Bras, P. ;
Byram, D. ;
Cahn, S. B. ;
Carmona-Benitez, M. C. ;
Chan, C. ;
Currie, A. ;
Cutter, J. E. ;
Davison, T. J. R. ;
Dobi, A. ;
Druszkiewicz, E. ;
Edwards, B. N. ;
Fallon, S. R. ;
Fan, A. ;
Fiorucci, S. ;
Gaitskell, R. J. ;
Genovesi, J. ;
Ghang, C. ;
Gilchriese, M. G. D. ;
Hall, C. R. ;
Hanhardt, M. ;
Haselschwardt, S. J. ;
Hertel, S. A. ;
Hogan, D. P. ;
Horn, M. ;
Huang, D. Q. ;
Ignarra, C. M. ;
Jacobsen, R. G. ;
Ji, W. ;
Kamdin, K. ;
Kazkaz, K. ;
Khaitan, D. ;
Knoche, R. ;
Larsen, N. A. ;
Lenardo, B. G. ;
Lesko, K. T. ;
Lindote, A. ;
Lopes, M. I. ;
Manalaysay, A. ;
Mannino, R. L. .
PHYSICAL REVIEW D, 2017, 96 (11)
[9]   Tritium calibration of the LUX dark matter experiment [J].
Akerib, D. S. ;
Araujo, H. M. ;
Bai, X. ;
Bailey, A. J. ;
Balajthy, J. ;
Beltrame, P. ;
Bernard, E. P. ;
Bernstein, A. ;
Biesiadzinski, T. P. ;
Boulton, E. M. ;
Bradley, A. ;
Bramante, R. ;
Cahn, S. B. ;
Carmona-Benitez, M. C. ;
Chan, C. ;
Chapman, J. J. ;
Chiller, A. A. ;
Chiller, C. ;
Currie, A. ;
Cutter, J. E. ;
Davison, T. J. R. ;
de Viveiros, L. ;
Dobi, A. ;
Dobson, J. E. Y. ;
Druszkiewicz, E. ;
Edwards, B. N. ;
Faham, C. H. ;
Fiorucci, S. ;
Gaitskell, R. J. ;
Gehman, V. M. ;
Ghag, C. ;
Gibson, K. R. ;
Gilchriese, M. G. D. ;
Hall, C. R. ;
Hanhardt, M. ;
Haselschwardt, S. J. ;
Hertel, S. A. ;
Hogan, D. P. ;
Horn, M. ;
Huang, D. Q. ;
Ignarra, C. M. ;
Ihm, M. ;
Jacobsen, R. G. ;
Ji, W. ;
Kazkaz, K. ;
Khaitan, D. ;
Knoche, R. ;
Larsen, N. A. ;
Lee, C. ;
Lenardo, B. G. .
PHYSICAL REVIEW D, 2016, 93 (07)
[10]  
Akerib D. S., ARXIV160805381 LUX C