Extending light WIMP searches to single scintillation photons in LUX

被引:24
作者
Akerib, D. S. [1 ,2 ,3 ]
Alsum, S. [4 ]
Araujo, H. M. [5 ]
Bai, X. [6 ]
Balajthy, J. [7 ]
Baxter, A. [8 ]
Beltrame, P. [9 ]
Bernard, E. P. [10 ]
Bernstein, A. [11 ]
Biesiadzinski, T. P. [1 ,2 ,3 ]
Boulton, E. M. [10 ,12 ,13 ]
Boxer, B. [8 ]
Bras, P. [14 ]
Burdin, S. [8 ]
Byram, D. [15 ,16 ]
Carmona-Benitez, M. C. [17 ]
Chan, C. [18 ]
Cutter, J. E. [7 ]
de Viveiros, L. [17 ]
Druszkiewicz, E. [19 ]
Fallon, S. R. [20 ]
Fan, A. [2 ,3 ]
Fiorucci, S. [12 ,18 ]
Gaitskell, R. J. [18 ]
Genovesi, J. [20 ]
Ghag, C. [21 ]
Gilchriese, M. G. D. [12 ]
Gwilliam, C. [8 ]
Hall, C. R. [22 ]
Haselschwardt, S. J. [23 ]
Hertel, S. A. [12 ,24 ,25 ]
Hogan, D. P. [10 ]
Horn, M. [10 ,16 ]
Huang, D. Q. [18 ]
Ignarra, C. M. [2 ,3 ]
Jacobsen, R. G. [10 ]
Jahangir, O. [21 ]
Ji, W. [1 ,2 ,3 ]
Kamdin, K. [10 ,12 ]
Kazkaz, K. [11 ]
Khaitan, D. [19 ]
Korolkova, E. V. [26 ]
Kravitz, S. [12 ]
Kudryavtsev, V. A. [26 ]
Leason, E. [9 ]
Lenardo, B. G. [7 ,11 ]
Lesko, K. T. [12 ]
Lin, J. Liao J. [18 ]
Lindote, A. [10 ]
Lopes, M. I. [14 ]
机构
[1] Case Western Reserve Univ, Dept Phys, 10900 Euclid Ave, Cleveland, OH 44106 USA
[2] SLAC Natl Accelerator Lab, 2575 Sand Hill Rd, Menlo Pk, CA 94205 USA
[3] Stanford Univ, Kavli Inst Particle Astrophys & Cosmol, 452 Lomita Mall, Stanford, CA 94309 USA
[4] Univ Wisconsin, Dept Phys, 1150 Univ Ave, Madison, WI 53706 USA
[5] Imperial Coll London, High Energy Phys, Blackett Lab, London SW7 2BZ, England
[6] South Dakota Sch Mines & Technol, 501 East St Joseph St, Rapid City, SD 57701 USA
[7] Univ Calif Davis, Dept Phys, One Shields Ave, Davis, CA 95616 USA
[8] Univ Liverpool, Dept Phys, Liverpool L69 7ZE, Merseyside, England
[9] Univ Edinburgh, Sch Phys & Astron, SUPA, Edinburgh EH9 3FD, Midlothian, Scotland
[10] Univ Calif Berkeley, Dept Phys, Berkeley, CA 94720 USA
[11] Lawrence Livermore Natl Lab, 7000 East Ave, Livermore, CA 94551 USA
[12] Lawrence Berkeley Natl Lab, 1 Cyclotron Rd, Berkeley, CA 94720 USA
[13] Yale Univ, Dept Phys, 217 Prospect St, New Haven, CT 06511 USA
[14] Univ Coimbra, Dept Phys, LIP Coimbra, Rua Larga, P-3004516 Coimbra, Portugal
[15] Univ South Dakota, Dept Phys, 414E Clark St, Vermillion, SD 57069 USA
[16] Sanford Underground Res Facil, South Dakota Sci & Technol Author, Lead, SD 57754 USA
[17] Penn State Univ, Dept Phys, 104 Davey Lab, University Pk, PA 16802 USA
[18] Brown Univ, Dept Phys, 182 Hope St, Providence, RI 02912 USA
[19] Univ Rochester, Dept Phys & Astron, Rochester, NY 14627 USA
[20] SUNY Albany, Dept Phys, 1400 Washington Ave, Albany, NY 12222 USA
[21] UCL, Dept Phys & Astron, Gower St, London WC1E 6BT, England
[22] Univ Maryland, Dept Phys, College Pk, MD 20742 USA
[23] Univ Calif Santa Barbara, Dept Phys, Santa Barbara, CA 93106 USA
[24] Univ Massachusetts, Amherst Ctr Fundamental Interact, Amherst, MA 01003 USA
[25] Univ Massachusetts, Dept Phys, Amherst, MA 01003 USA
[26] Univ Sheffield, Dept Phys & Astron, Sheffield S3 7RH, S Yorkshire, England
[27] Texas A&M Univ, Dept Phys, College Stn, TX 77843 USA
[28] Calif State Univ Stanislaus, Dept Phys, 1 Univ Circle, Turlock, CA 95382 USA
基金
美国国家科学基金会; 英国科学技术设施理事会;
关键词
BACKGROUNDS; EMISSION; XENON;
D O I
10.1103/PhysRevD.101.042001
中图分类号
P1 [天文学];
学科分类号
0704 ;
摘要
We present a novel analysis technique for liquid xenon time projection chambers that allows for a lower threshold by relying on events with a prompt scintillation signal consisting of single detected photons. The energy threshold of the LUX dark matter experiment is primarily determined by the smallest scintillation response detectable, which previously required a twofold coincidence signal in its photomultiplier arrays, enforced in data analysis. The technique presented here exploits the double photoelectron emission effect observed in some photomultiplier models at vacuum ultraviolet wavelengths. We demonstrate this analysis using an electron recoil calibration dataset and place new constraints on the spin-independent scattering cross section of weakly interacting massive particles (WIMPs) down to 2.5 GeV/c(2) WIMP mass using the 2013 LUX dataset. This new technique is promising to enhance light WIMP and astrophysical neutrino searches in next-generation liquid xenon experiments.
引用
收藏
页数:11
相关论文
共 39 条
[1]   Low-Mass Dark Matter Search with 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 (08)
[2]   New Results from the Search for Low-Mass Weakly Interacting Massive Particles with the CDMS Low Ionization Threshold Experiment [J].
Agnese, R. ;
Anderson, A. J. ;
Aramaki, T. ;
Asai, M. ;
Baker, W. ;
Balakishiyeva, D. ;
Barker, D. ;
Thakur, R. Basu ;
Bauer, D. A. ;
Billard, J. ;
Borgland, A. ;
Bowles, M. A. ;
Brink, P. L. ;
Bunker, R. ;
Cabrera, B. ;
Caldwell, D. O. ;
Calkins, R. ;
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. ;
Figueroa-Feliciano, E. ;
Ghaith, M. ;
Godfrey, G. L. ;
Golwala, S. R. ;
Hall, J. ;
Harris, H. R. ;
Hofer, T. ;
Holmgren, D. ;
Hsu, L. ;
Huber, M. E. ;
Jardin, D. ;
Jastram, A. ;
Kamaev, O. ;
Kara, B. ;
Kelsey, M. H. ;
Kennedy, A. ;
Leder, A. ;
Loer, B. ;
Lopez Asamar, E. ;
Lukens, P. ;
Mahapatra, R. ;
Mandic, V. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2016, 116 (07)
[3]   Improved Limits on Scattering of Weakly Interacting Massive Particles from Reanalysis of 2013 LUX Data [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 LETTERS, 2016, 116 (16)
[4]   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)
[5]   LUX trigger efficiency [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. ;
Grace, E. ;
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. ;
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. .
NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH SECTION A-ACCELERATORS SPECTROMETERS DETECTORS AND ASSOCIATED EQUIPMENT, 2018, 908 :401-410
[6]   Calibration, event reconstruction, data analysis, and limit calculation for the LUX dark matter experiment [J].
Akerib, D. S. ;
Alsum, S. ;
Araujo, H. M. ;
Bai, X. ;
Bailey, A. J. ;
Balajthy, 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. ;
Dobson, J. E. Y. ;
Druszkiewicz, E. ;
Edwards, B. N. ;
Faham, C. H. ;
Fallon, S. R. ;
Fan, A. ;
Fiorucci, S. ;
Gaitskell, R. J. ;
Gehman, V. M. ;
Genovesi, J. ;
Ghag, C. ;
Gilchriese, 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. ;
Lee, C. ;
Lenardo, B. G. ;
Lesko, K. T. .
PHYSICAL REVIEW D, 2018, 97 (10)
[7]   Position reconstruction in LUX [J].
Akerib, D. S. ;
Alsum, S. ;
Araujo, H. M. ;
Bai, X. ;
Bailey, A. J. ;
Balajthy, 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. ;
Ghag, 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. .
JOURNAL OF INSTRUMENTATION, 2018, 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]   Results from a Search for Dark Matter in the Complete LUX Exposure [J].
Akerib, D. S. ;
Alsum, S. ;
Araujo, H. M. ;
Bai, X. ;
Bailey, A. J. ;
Balajthy, J. ;
Beltrame, P. ;
Bernard, E. P. ;
Bernstein, A. ;
Biesiadzinski, T. P. ;
Boulton, E. M. ;
Bramante, R. ;
Bras, P. ;
Byram, D. ;
Cahn, S. B. ;
Carmona-Benitez, M. C. ;
Chan, C. ;
Chiller, A. A. ;
Chiller, C. ;
Currie, A. ;
Cutter, J. E. ;
Davison, T. J. R. ;
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. ;
Kamdin, K. ;
Kazkaz, K. ;
Khaitan, D. ;
Knoche, R. ;
Larsen, N. A. ;
Lee, C. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2017, 118 (02)
[10]   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)