Constraints on low-mass, relic dark matter candidates from a surface-operated SuperCDMS single-charge sensitive detector

被引:105
作者
Amaral, D. W. [1 ]
Aralis, T. [2 ]
Aramaki, T. [3 ]
Arnquist, I. J. [4 ]
Azadbakht, E. [5 ,6 ]
Banik, S. [7 ]
Barker, D. [8 ]
Bathurst, C. [9 ]
Bauer, D. A. [10 ]
Bezerra, L. V. S. [11 ,12 ]
Bhattacharyya, R. [5 ,6 ]
Binder, T. [13 ]
Bowles, M. A. [14 ]
Brink, P. L. [3 ]
Bunker, R. [4 ]
Cabrera, B. [15 ]
Calkins, R. [16 ]
Cameron, R. A. [3 ]
Cartaro, C. [3 ]
Cerdeno, D. G. [1 ,17 ]
Chang, Y-Y [2 ]
Chen, R. [18 ]
Chott, N. [14 ]
Cooley, J. [16 ]
Coombes, H. [9 ]
Corbett, J. [19 ]
Cushman, P. [8 ]
De Brienne, F. [20 ]
di Vacri, M. L. [4 ]
Diamond, M. D. [21 ]
Fascione, E. [12 ,19 ]
Figueroa-Feliciano, E. [18 ]
Fink, C. W. [22 ]
Fouts, K. [3 ]
Fritts, M. [8 ]
Gerbier, G. [19 ]
Germond, R. [12 ,19 ]
Ghaith, M. [19 ]
Golwala, S. R. [2 ]
Harris, H. R. [5 ,6 ,23 ]
Herbert, N. [5 ,6 ]
Hines, B. A. [24 ]
Hollister, M., I [10 ]
Hong, Z. [18 ]
Hoppe, E. W. [4 ]
Hsu, L. [10 ]
Huber, M. E. [24 ,25 ]
Iyer, V [7 ]
Jardin, D. [16 ]
Jastram, A. [5 ,6 ]
机构
[1] Univ Durham, Dept Phys, Durham DH1 3LE, England
[2] CALTECH, Div Phys Math & Astron, Pasadena, CA 91125 USA
[3] SLAC Natl Accelerator Lab, Kavli Inst Particle Astrophys & Cosmol, Menlo Pk, CA 94025 USA
[4] Pacific Northwest Natl Lab, Richland, WA 99352 USA
[5] Texas A&M Univ, Dept Phys & Astron, College Stn, TX 77843 USA
[6] Texas A&M Univ, Mitchell Inst Fundamental Phys & Astron, College Stn, TX 77843 USA
[7] HBNI, Natl Inst Sci Educ & Res, Sch Phys Sci, Jatni 752050, India
[8] Univ Minnesota, Sch Phys & Astrorwmy, Minneapolis, MN 55455 USA
[9] Univ Florida, Dept Phys, Gainesville, FL 32611 USA
[10] Fermilab Natl Accelerator Lab, Batavia, IL 60510 USA
[11] Univ British Columbia, Dept Phys & Astron, Vancouver, BC V6T 1Z1, Canada
[12] TRIUMF, Columbia, BC V6T 2A3, Canada
[13] Univ South Dakota, Dept Phys, Vermillion, SD 57069 USA
[14] South Dakota Sch Mines & Technol, Dept Phys, Rapid City, SD 57701 USA
[15] Stanford Univ, Dept Phys, Stanford, CA 94305 USA
[16] Southern Methodist Univ, Dept Phys, Dallas, TX 75275 USA
[17] Univ Autonoma Madrid, UAM, CSIC, Inst Fis Teor, Madrid 28049, Spain
[18] Northwestern Univ, Dept Phys & Astron, Evanston, IL 60208 USA
[19] Queens Univ, Dept Phys, Kingston, ON K7L 3N6, Canada
[20] Univ Montreal, Dept Phys, Montreal, PQ H3C 3J7, Canada
[21] Univ Toronto, Dept Phys, Toronto, ON M5S 1A7, Canada
[22] Univ Calif Berkeley, Dept Phys, Berkeley, CA 94720 USA
[23] Texas A&M Univ, Dept Elect & Comp Engn, College Stn, TX 77843 USA
[24] Univ Colorado, Dept Phys, Denver, CO 80217 USA
[25] Univ Colorado, Dept Elect Engn, Denver, CO 80217 USA
[26] Lawrence Berkeley Natl Lab, Berkeley, CA 94720 USA
[27] SNOLAB, Creighton Mine 9,1039 Reg Rd 24, Sudbury, ON P3Y 1N2, Canada
[28] Univ Hamburg, Inst Expt Phys, D-22761 Hamburg, Germany
[29] Santa Clara Univ, Dept Phys, Santa Clara, CA 95053 USA
基金
美国国家科学基金会; 加拿大自然科学与工程研究理事会;
关键词
OPTICAL-PARAMETERS; INTRINSIC SILICON; ABSORPTION; SI; PHOTOABSORPTION; TRANSMISSION; GERMANIUM; REGION;
D O I
10.1103/PhysRevD.102.091101
中图分类号
P1 [天文学];
学科分类号
0704 ;
摘要
This article presents an analysis and the resulting limits on light dark matter inelastically scattering off of electrons, and on dark photon and axionlike particle absorption, using a second-generation SuperCDMS high-voltage eV-resolution detector. The 0.93 g Si detector achieved a 3 eV phonon energy resolution; for a detector bias of 100 V, this corresponds to a charge resolution of 3% of a single electron-hole pair. The energy spectrum is reported from a blind analysis with 1.2 g-days of exposure acquired in an above-ground laboratory. With charge carrier trapping and impact ionization effects incorporated into the dark matter signal models, the dark matter-electron cross section (sigma) over bar (e) is constrained for dark matter masses from 0.5 to 10(4) MeV/c(2); in the mass range from 1.2 to 50 eV/c(2) the dark photon kinetic mixing parameter e and the axioelectric coupling constant gae are constrained. The minimum 90% confidence-level upper limits within the above-mentioned mass ranges are (sigma) over bar (e) = 8.7 x 10(-34) cm(2), epsilon = 3.3 x 10(-14), and g(ae) = 1.0 x 10(-9).
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