Indirect searches for dark matter bound state formation and level transitions

被引：12

作者：

Baldes, Iason ^{[1
]}

Calore, Francesca ^{[2
]}

Petraki, Kalliopi ^{[3
,4
]}

Poireau, Vincent ^{[5
]}

Rodd, Nicholas L. ^{[6
,7
]}

机构：

[1] Univ Libre Bruxelles, Serv Phys Theor, Blvd Triomphe,CP225, B-1050 Brussels, Belgium

[2] Univ Grenoble Alpes, USMB, CNRS, LAPTh, F-74940 Annecy, France

[3] Sorbonne Univ, CNRS, Lab Phys Theor & Hautes Energies, LPTHE, F-75252 Paris, France

[4] Nikhef, Sci Pk 105, NL-1098 XG Amsterdam, Netherlands

[5] Univ Grenoble Alpes, USMB, CNRS, LAPP, F-74940 Annecy, France

[6] Univ Calif Berkeley, Berkeley Ctr Theoret Phys, Berkeley, CA 94720 USA

[7] Lawrence Berkeley Natl Lab, Theoret Phys Grp, Berkeley, CA 94720 USA

来源：

SCIPOST PHYSICS | 2020年 / 9卷 / 05期

关键词：

EXCLUSION LIMITS; BETA-FUNCTION; GAUGE FORCES; MILKY-WAY; MASS; SIGNATURES; EXCESS; PHOTON;

D O I：

10.21468/SciPostPhys.9.5.068

中图分类号：

O4 [物理学];

学科分类号：

0702 ;

摘要：

Indirect searches for dark matter (DM) have conventionally been applied to the products of DM annihilation or decay. If DM couples to light force carriers, however, it can be captured into bound states via dissipation of energy that may yield detectable signals. We extend the indirect searches to DM bound state formation and transitions between bound levels, and constrain the emission of unstable dark photons. Our results significantly refine the predicted signal flux that could be observed in experiments. As a concrete example, we use Fermi-LAT dwarf spheroidal observations to obtain constraints in terms of the dark photon mass and energy which we use to search for the formation of stable or unstable bound states.

引用

页数：41

共 142 条

[1] Search for A′ → μ+μ- Decays [J].

Aaij, R. ;

Beteta, C. Abellan ;

Ackernley, T. ;

Adeva, B. ;

Adinolfi, M. ;

Afsharnia, H. ;

Aidala, C. A. ;

Aiola, S. ;

Ajaltouni, Z. ;

Akar, S. ;

Albicocco, P. ;

Albrecht, J. ;

Alessio, F. ;

Alexander, M. ;

Albero, A. Alfonso ;

Alkhazov, G. ;

Cartelle, P. Alvarez ;

Alves Jr, A. A. ;

Amato, S. ;

Amhis, Y. ;

An, L. ;

Anderlini, L. ;

Andreassi, G. ;

Andreotti, M. ;

Archilli, F. ;

Romeu, J. Arnau ;

Artamonov, A. ;

Artuso, M. ;

Arzymatov, K. ;

Aslanides, E. ;

Atzeni, M. ;

Audurier, B. ;

Bachmann, S. ;

Back, J. J. ;

Baker, S. ;

Balagura, V ;

Baldini, W. ;

Baranov, A. ;

Barlow, R. J. ;

Barsuk, S. ;

Barter, W. ;

Bartolini, M. ;

Baryshnikov, F. ;

Bassi, G. ;

Batozskaya, V ;

Batsukh, B. ;

Battig, A. ;

Battista, V ;

Bay, A. ;

Becker, M. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2020, 124 (04)

[2] Constraints on WIMP and Sommerfeld-enhanced dark matter annihilation from HESS observations of the galactic center [J].

Abazajian, Kevork N. ;

Harding, J. Patrick .

JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS, 2012, (01)

[3] Searches for gamma-ray lines and 'pure WIMP' spectra from Dark Matter annihilations in dwarf galaxies with HESS [J].

Abdalla, H. ;

Aharonian, F. ;

Benkhali, F. Ait ;

Anguner, E. O. ;

Arakawa, M. ;

Arcaro, C. ;

Armand, C. ;

Arrieta, M. ;

Backes, M. ;

Barnard, M. ;

Becherini, Y. ;

Tjus, J. Becker ;

Berge, D. ;

Bernhard, S. ;

Bernloehr, K. ;

Blackwell, R. ;

Bottcher, M. ;

Boisson, C. ;

Bolmont, J. ;

Bonnefoy, S. ;

Bordas, P. ;

Bregeon, J. ;

Brun, F. ;

Brun, P. ;

Bryan, M. ;

Buechele, M. ;

Bulik, T. ;

Bylund, T. ;

Capasso, M. ;

Caroff, S. ;

Carosi, A. ;

Casanova, S. ;

Cerruti, M. ;

Chakraborty, N. ;

Chandra, S. ;

Chaves, R. C. G. ;

Chen, A. ;

Colafrancesco, S. ;

Condon, B. ;

Davids, I. D. ;

Deil, C. ;

Devin, J. ;

deWilt, P. ;

Dirson, L. ;

Djannati-Atai, A. ;

Dmytriiev, A. ;

Donath, A. ;

Doroshenko, V. ;

Drury, L. O'C. ;

Dyks, J. .

JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS, 2018, (11)

[4] Search for γ-Ray Line Signals from Dark Matter Annihilations in the Inner Galactic Halo from 10 Years of Observations with HESS [J].

Abdallah, H. ;

Abramowski, A. ;

Aharonian, F. ;

Benkhali, F. Ait ;

Anguner, E. O. ;

Arakawa, M. ;

Arrieta, M. ;

Aubert, P. ;

Backes, M. ;

Balzer, A. ;

Barnard, M. ;

Becherini, Y. ;

Tjus, J. Becker ;

Berge, D. ;

Bernhard, S. ;

Bernloehr, K. ;

Blackwell, R. ;

Bottcher, M. ;

Boisson, C. ;

Bolmont, J. ;

Bonnefoy, S. ;

Bordas, P. ;

Bregeon, J. ;

Brun, F. ;

Brun, P. ;

Bryan, M. ;

Buechele, M. ;

Bulik, T. ;

Capasso, M. ;

Caroff, S. ;

Carosi, A. ;

Carr, J. ;

Casanova, S. ;

Cerruti, M. ;

Chakraborty, N. ;

Chaves, R. C. G. ;

Chen, A. ;

Chevalier, J. ;

Colafrancesco, S. ;

Condon, B. ;

Conrad, J. ;

Davids, I. D. ;

Decock, J. ;

Deil, C. ;

Devin, J. ;

Dewilt, P. ;

Dirson, L. ;

Djannati-Atai, A. ;

Domainko, W. ;

Donath, A. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2018, 120 (20)

[5] 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. ;

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Fuss, A. ;

Gorla, P. ;

Hauff, D. ;

Jochum, J. ;

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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)

[6] Updated search for spectral lines from Galactic dark matter interactions with pass 8 data from the Fermi Large Area Telescope [J].

Ackermann, M. ;

Ajello, M. ;

Albert, A. ;

Anderson, B. ;

Atwood, W. B. ;

Baldini, L. ;

Barbiellini, G. ;

Bastieri, D. ;

Bellazzini, R. ;

Bissaldi, E. ;

Blandford, R. D. ;

Bloom, E. D. ;

Bonino, R. ;

Bottacini, E. ;

Brandt, T. J. ;

Bregeon, J. ;

Bruel, P. ;

Buehler, R. ;

Buson, S. ;

Caliandro, G. A. ;

Cameron, R. A. ;

Caputo, R. ;

Caragiulo, M. ;

Caraveo, P. A. ;

Cecchi, C. ;

Charles, E. ;

Chekhtman, A. ;

Chiang, J. ;

Chiaro, G. ;

Ciprini, S. ;

Claus, R. ;

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Conrad, J. ;

Cuoco, A. ;

Cutini, S. ;

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de Angelis, A. ;

de Palma, F. ;

Desiante, R. ;

Digel, S. W. ;

Di Venere, L. ;

Drell, P. S. ;

Drlica-Wagner, A. ;

Favuzzi, C. ;

Fegan, S. J. ;

Franckowiak, A. ;

Fukazawa, Y. ;

Funk, S. ;

Fusco, P. ;

Gargano, F. .

PHYSICAL REVIEW D, 2015, 91 (12)

[7] Planck 2018 results: VI. Cosmological parameters [J].

Aghanim, N. ;

Akrami, Y. ;

Ashdown, M. ;

Aumont, J. ;

Baccigalupi, C. ;

Ballardini, M. ;

Banday, A. J. ;

Barreiro, R. B. ;

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Basak, S. ;

Battye, R. ;

Benabed, K. ;

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Bersanelli, M. ;

Bielewicz, P. ;

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Bond, J. R. ;

Borrill, J. ;

Bouchet, F. R. ;

Boulanger, F. ;

Bucher, M. ;

Burigana, C. ;

Butler, R. C. ;

Calabrese, E. ;

Cardoso, J. -F. ;

Carron, J. ;

Challinor, A. ;

Chiang, H. C. ;

Chluba, J. ;

Colombo, L. P. L. ;

Combet, C. ;

Contreras, D. ;

Crill, B. P. ;

Cuttaia, F. ;

de Bernardis, P. ;

de Zotti, G. ;

Delabrouille, J. ;

Delouis, J. -M. ;

Di Valentino, E. ;

Diego, J. M. ;

Dore, O. ;

Douspis, M. ;

Ducout, A. ;

Dupac, X. ;

Dusini, S. ;

Efstathiou, G. ;

Elsner, F. ;

Ensslin, T. A. ;

Eriksen, H. K. ;

Fantaye, Y. .

ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 2020, 641

[8] 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. ;

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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)

[9] Low-mass dark matter search with CDMSlite [J].

Agnese, R. ;

Anderson, A. J. ;

Aralis, T. ;

Aramaki, T. ;

Arnquist, I. J. ;

Baker, W. ;

Balakishiyeva, D. ;

Barker, D. ;

Thakur, R. Basu ;

Bauer, D. A. ;

Binder, T. ;

Bowles, M. A. ;

Brink, P. L. ;

Bunker, R. ;

Cabrera, B. ;

Caldwell, D. O. ;

Calkins, R. ;

Cartaro, C. ;

Cerdeno, D. G. ;

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Chagani, H. ;

Chen, Y. ;

Cooley, J. ;

Cornell, B. ;

Cushman, P. ;

Daal, M. ;

Di Stefano, P. C. F. ;

Doughty, T. ;

Esteban, L. ;

Fascione, E. ;

Figueroa-Feliciano, E. ;

Fritts, M. ;

Gerbier, G. ;

Ghaith, M. ;

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Hall, J. ;

Harris, H. R. ;

Hong, Z. ;

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Iyer, V. ;

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Jastram, A. ;

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Kennedy, A. ;

Kubik, A. ;

Kurinsky, N. A. .

PHYSICAL REVIEW D, 2018, 97 (02)

[10] Secretly asymmetric dark matter [J].

Agrawal, Prateek ;

Kilic, Can ;

Swaminathan, Sivaramakrishnan ;

Trendafilova, Cynthia .

PHYSICAL REVIEW D, 2017, 95 (01)

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[1] Search for A′ → μ+μ- Decays [J].

Aaij, R. ;

Beteta, C. Abellan ;

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Adeva, B. ;

Adinolfi, M. ;

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Aidala, C. A. ;

Aiola, S. ;

Ajaltouni, Z. ;

Akar, S. ;

Albicocco, P. ;

Albrecht, J. ;

Alessio, F. ;

Alexander, M. ;

Albero, A. Alfonso ;

Alkhazov, G. ;

Cartelle, P. Alvarez ;

Alves Jr, A. A. ;

Amato, S. ;

Amhis, Y. ;

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Anderlini, L. ;

Andreassi, G. ;

Andreotti, M. ;

Archilli, F. ;

Romeu, J. Arnau ;

Artamonov, A. ;

Artuso, M. ;

Arzymatov, K. ;

Aslanides, E. ;

Atzeni, M. ;

Audurier, B. ;

Bachmann, S. ;

Back, J. J. ;

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Balagura, V ;

Baldini, W. ;

Baranov, A. ;

Barlow, R. J. ;

Barsuk, S. ;

Barter, W. ;

Bartolini, M. ;

Baryshnikov, F. ;

Bassi, G. ;

Batozskaya, V ;

Batsukh, B. ;

Battig, A. ;

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[2] Constraints on WIMP and Sommerfeld-enhanced dark matter annihilation from HESS observations of the galactic center [J].

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[3] Searches for gamma-ray lines and 'pure WIMP' spectra from Dark Matter annihilations in dwarf galaxies with HESS [J].

Abdalla, H. ;

Aharonian, F. ;

Benkhali, F. Ait ;

Anguner, E. O. ;

Arakawa, M. ;

Arcaro, C. ;

Armand, C. ;

Arrieta, M. ;

Backes, M. ;

Barnard, M. ;

Becherini, Y. ;

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Berge, D. ;

Bernhard, S. ;

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Bolmont, J. ;

Bonnefoy, S. ;

Bordas, P. ;

Bregeon, J. ;

Brun, F. ;

Brun, P. ;

Bryan, M. ;

Buechele, M. ;

Bulik, T. ;

Bylund, T. ;

Capasso, M. ;

Caroff, S. ;

Carosi, A. ;

Casanova, S. ;

Cerruti, M. ;

Chakraborty, N. ;

Chandra, S. ;

Chaves, R. C. G. ;

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Condon, B. ;

Davids, I. D. ;

Deil, C. ;

Devin, J. ;

deWilt, P. ;

Dirson, L. ;

Djannati-Atai, A. ;

Dmytriiev, A. ;

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[4] Search for γ-Ray Line Signals from Dark Matter Annihilations in the Inner Galactic Halo from 10 Years of Observations with HESS [J].

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Aubert, P. ;

Backes, M. ;

Balzer, A. ;

Barnard, M. ;

Becherini, Y. ;

Tjus, J. Becker ;

Berge, D. ;

Bernhard, S. ;

Bernloehr, K. ;

Blackwell, R. ;

Bottcher, M. ;

Boisson, C. ;

Bolmont, J. ;

Bonnefoy, S. ;

Bordas, P. ;

Bregeon, J. ;

Brun, F. ;

Brun, P. ;

Bryan, M. ;

Buechele, M. ;

Bulik, T. ;

Capasso, M. ;

Caroff, S. ;

Carosi, A. ;

Carr, J. ;

Casanova, S. ;

Cerruti, M. ;

Chakraborty, N. ;

Chaves, R. C. G. ;

Chen, A. ;

Chevalier, J. ;

Colafrancesco, S. ;

Condon, B. ;

Conrad, J. ;

Davids, I. D. ;

Decock, J. ;

Deil, C. ;

Devin, J. ;

Dewilt, P. ;

Dirson, L. ;

Djannati-Atai, A. ;

Domainko, W. ;

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PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2018, 120 (20)

[5] First results from the CRESST-III low-mass dark matter program [J].

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Bertoldo, E. ;

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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 ;

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Zema, V .

PHYSICAL REVIEW D, 2019, 100 (10)

[6] Updated search for spectral lines from Galactic dark matter interactions with pass 8 data from the Fermi Large Area Telescope [J].

Ackermann, M. ;

Ajello, M. ;

Albert, A. ;

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Baldini, L. ;

Barbiellini, G. ;

Bastieri, D. ;

Bellazzini, R. ;

Bissaldi, E. ;

Blandford, R. D. ;

Bloom, E. D. ;

Bonino, R. ;

Bottacini, E. ;

Brandt, T. J. ;

Bregeon, J. ;

Bruel, P. ;

Buehler, R. ;

Buson, S. ;

Caliandro, G. A. ;

Cameron, R. A. ;

Caputo, R. ;

Caragiulo, M. ;

Caraveo, P. A. ;

Cecchi, C. ;

Charles, E. ;

Chekhtman, A. ;

Chiang, J. ;

Chiaro, G. ;

Ciprini, S. ;

Claus, R. ;

Cohen-Tanugi, J. ;

Conrad, J. ;

Cuoco, A. ;

Cutini, S. ;

D'Ammando, F. ;

de Angelis, A. ;

de Palma, F. ;

Desiante, R. ;

Digel, S. W. ;

Di Venere, L. ;

Drell, P. S. ;

Drlica-Wagner, A. ;

Favuzzi, C. ;

Fegan, S. J. ;

Franckowiak, A. ;

Fukazawa, Y. ;

Funk, S. ;

Fusco, P. ;

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PHYSICAL REVIEW D, 2015, 91 (12)

[7] Planck 2018 results: VI. Cosmological parameters [J].

Aghanim, N. ;

Akrami, Y. ;

Ashdown, M. ;

Aumont, J. ;

Baccigalupi, C. ;

Ballardini, M. ;

Banday, A. J. ;

Barreiro, R. B. ;

Bartolo, N. ;

Basak, S. ;

Battye, R. ;

Benabed, K. ;

Bernard, J. -P. ;

Bersanelli, M. ;

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Bock, J. J. ;

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Bouchet, F. R. ;

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Bucher, M. ;

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Butler, R. C. ;

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Carron, J. ;

Challinor, A. ;

Chiang, H. C. ;

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Cuttaia, F. ;

de Bernardis, P. ;

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Delabrouille, J. ;

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Diego, J. M. ;

Dore, O. ;

Douspis, M. ;

Ducout, A. ;

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Elsner, F. ;

Ensslin, T. A. ;

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Fantaye, Y. .

ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 2020, 641

[8] Low-Mass Dark Matter Search with the DarkSide-50 Experiment [J].

Agnes, P. ;

Albuquerque, I. F. M. ;

Alexander, T. ;

Alton, A. K. ;

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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. ;

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Demontis, P. ;

Derbin, A. V. ;

Devoto, A. .

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[9] Low-mass dark matter search with CDMSlite [J].

Agnese, R. ;

Anderson, A. J. ;

Aralis, T. ;

Aramaki, T. ;

Arnquist, I. J. ;

Baker, W. ;

Balakishiyeva, D. ;

Barker, D. ;

Thakur, R. Basu ;

Bauer, D. A. ;

Binder, T. ;

Bowles, M. A. ;

Brink, P. L. ;

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Cartaro, C. ;

Cerdeno, D. G. ;

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Chen, Y. ;

Cooley, J. ;

Cornell, B. ;

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Daal, M. ;

Di Stefano, P. C. F. ;

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Esteban, L. ;

Fascione, E. ;

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Gerbier, G. ;

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