Search for dark matter with a 231-day exposure of liquid argon using DEAP-3600 at SNOLAB

被引：131

作者：

Ajaj, R. ^{[3
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Amaudruz, P. -A. ^{[18
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Araujo, G. R. ^{[7
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Baldwin, M. ^{[15
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Batygov, M. ^{[5
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Beltran, B. ^{[1
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Bina, C. E. ^{[1
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Bonatt, J. ^{[13
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Boulay, M. G. ^{[3
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]}

Broerman, B. ^{[13
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Bueno, J. F. ^{[1
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Burghardt, P. M. ^{[7
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Butcher, A. ^{[14
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Cai, B. ^{[13
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Cavuoti, S. ^{[8
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Chen, M. ^{[13
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Chen, Y. ^{[1
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Cleveland, B. T. ^{[5
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Cranshaw, D. ^{[13
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Dering, K. ^{[13
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DiGioseffo, J. ^{[3
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Doria, L. ^{[11
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Duncan, F. A. ^{[16
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Dunford, M. ^{[3
]}

Erlandson, A. ^{[2
,3
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Fatemighomi, N. ^{[14
,16
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Fiorillo, G. ^{[8
,9
]}

Florian, S. ^{[13
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Flower, A. ^{[3
,13
]}

Ford, R. J. ^{[5
,16
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Gagnon, R. ^{[13
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Gallacher, D. ^{[3
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Garces, E. A. ^{[6
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Garg, S. ^{[3
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Giampa, P. ^{[13
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Goeldi, D. ^{[3
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Golovko, V. V. ^{[2
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Gorel, P. ^{[1
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Graham, K. ^{[3
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Grant, D. R. ^{[1
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Hallin, A. L. ^{[1
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Hamstra, M. ^{[3
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Harvey, P. J. ^{[13
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Hearns, C. ^{[13
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Joy, A. ^{[1
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Jillings, C. J. ^{[5
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Kamaev, O. ^{[2
]}

Kaur, G. ^{[3
]}

Kemp, A. ^{[14
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Kochanek, I. ^{[4
]}

机构：

[1] Univ Alberta, Dept Phys, Edmonton, AB T6G 2R3, Canada

[2] Canadian Nucl Labs Ltd, Chalk River, ON K0J 1J0, Canada

[3] Carleton Univ, Dept Phys, Ottawa, ON K1S 5B6, Canada

[4] INFN Lab Nazl Gran Sasso, I-67100 Assergi, AQ, Italy

[5] Laurentian Univ, Dept Phys & Astron, Sudbury, ON P3E 2C6, Canada

[6] Univ Nacl Autonoma Mexico, Inst Fis, AP 20-364, Mexico City 01000, DF, Mexico

[7] Tech Univ Munich, Dept Phys, D-80333 Munich, Germany

[8] INFN Napoli, I-80126 Naples, Italy

[9] Univ Federico II Napoli, Dept Phys, I-80126 Naples, Italy

[10] Princeton Univ, Dept Phys, Princeton, NJ 08544 USA

[11] Johannes Gutenberg Univ Mainz, PRISMA Cluster Excellence, D-55128 Mainz, Germany

[12] Johannes Gutenberg Univ Mainz, Inst Kernphys, D-55128 Mainz, Germany

[13] Queens Univ, Dept Phys Engn Phys & Astron, Kingston, ON K7L 3N6, Canada

[14] Royal Holloway Univ London, Egham Hill, Egham TW20 0EX, Surrey, England

[15] Rutherford Appleton Lab, Didcot OX11 0QX, Oxon, England

[16] SNOLAB, Lively, ON P3Y 1M3, Canada

[17] Univ Sussex, Sussex House, Brighton BN1 9RH, E Sussex, England

[18] TRIUMF, Vancouver, BC V6T 2A3, Canada

来源：

PHYSICAL REVIEW D | 2019年 / 100卷 / 02期

基金：

加拿大自然科学与工程研究理事会; 欧洲研究理事会;

关键词：

CANDIDATES; LENGTH;

D O I：

10.1103/PhysRevD.100.022004

中图分类号：

P1 [天文学];

学科分类号：

0704 ;

摘要：

DEAP-3600 is a single-phase liquid argon (LAr) direct-detection dark matter experiment, operating 2 km underground at SNOLAB (Sudbury, Canada). The detector consists of 3279 kg of LAr contained in a spherical acrylic vessel. This paper reports on the analysis of a 758 tonne . day exposure taken over a period of 231 live-days during the first year of operation. No candidate signal events are observed in the WIMP-search region of interest, which results in the leading limit on the WIMP-nucleon spin-independent cross section on a LAr target of 3.9 x 10(-45) cm(2) (1.5 x 10(-44) cm(2)) for a 100 GeV/c(2) (1 TeV/c(2)) WIMP mass at 90% C.L. In addition to a detailed background model, this analysis demonstrates the best pulse-shape discrimination in LAr at threshold, employs a Bayesian photoelectron-counting technique to improve the energy resolution and discrimination efficiency, and utilizes two position reconstruction algorithms based on the charge and photon detection time distributions observed in each photomultiplier tube.

引用

页数：25

共 51 条

[1] Effects of Nitrogen and Oxygen contamination in liquid Argon [J].

Acciarri, R. ;

Antonello, M. ;

Baibussinov, B. ;

Baldo-Ceolin, M. ;

Benetti, P. ;

Calaprice, F. ;

Calligarich, E. ;

Cambiaghi, M. ;

Canci, N. ;

Carbonara, F. ;

Cavanna, F. ;

Centro, S. ;

Coccoi, A. G. ;

Di Pompeo, F. ;

Fiorillo, G. ;

Galbiati, C. ;

Gallo, V. ;

Grandi, L. ;

Meng, G. ;

Modena, I. ;

Montanari, C. ;

Palamara, O. ;

Pandola, L. ;

Pietropaolo, F. ;

Raselli, G. L. ;

Roncadelli, M. ;

Rossella, M. ;

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[3] DarkSide-50 532-day dark matter search with low-radioactivity argon [J].

Agnes, P. ;

Albuquerque, I. F. M. ;

Alexander, T. ;

Alton, A. K. ;

Araujo, G. R. ;

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. ;

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Chepurnov, A. ;

Cicalo, C. ;

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. ;

Derbin, A. V. ;

Devoto, A. ;

Di Eusanio, F. ;

Di Pietro, G. ;

Dionisi, C. ;

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Balakishiyeva, D. ;

Banik, S. ;

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. ;

Chang, Y. ;

Chen, Y. ;

Cooley, J. ;

Cornell, B. ;

Cushman, P. ;

Daal, M. ;

Di Stefano, P. C. F. ;

Doughty, T. ;

Fascione, E. ;

Figueroa-Feliciano, E. ;

Fritts, M. ;

Gerbier, G. ;

Germond, R. ;

Ghaith, M. ;

Godfrey, G. L. ;

Golwala, S. R. ;

Hall, J. ;

Harris, H. R. ;

Hong, Z. ;

Hoppe, E. W. ;

Hsu, L. ;

Huber, M. E. ;

Iyer, V. ;

Jardin, D. ;

Jastram, A. ;

Jena, C. ;

Kelsey, M. H. ;

Kennedy, A. ;

Kubik, A. ;

Kurinsky, N. A. ;

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[5] GEANT4-a simulation toolkit [J].

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Allison, J ;

Amako, K ;

Apostolakis, J ;

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Arce, P ;

Asai, M ;

Axen, D ;

Banerjee, S ;

Barrand, G ;

Behner, F ;

Bellagamba, L ;

Boudreau, J ;

Broglia, L ;

Brunengo, A ;

Burkhardt, H ;

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Chuma, J ;

Chytracek, R ;

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Cosmo, G ;

Degtyarenko, P ;

Dell'Acqua, A ;

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Dietrich, D ;

Enami, R ;

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Ferguson, C ;

Fesefeldt, H ;

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Giani, S ;

Giannitrapani, R ;

Gibin, D ;

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González, I ;

Abril, GG ;

Greeniaus, G ;

Greiner, W ;

Grichine, V ;

Grossheim, A ;

Guatelli, S ;

Gumplinger, P ;

Hamatsu, R ;

Hashimoto, K ;

Hasui, H ;

Heikkinen, A ;

Howard, A .

NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH SECTION A-ACCELERATORS SPECTROMETERS DETECTORS AND ASSOCIATED EQUIPMENT, 2003, 506 (03) :250-303

[6] Measurement of the cosmic ray and neutrino-induced muon flux at the Sudbury neutrino observatory [J].

Aharmim, B. ;

Ahmed, S. N. ;

Andersen, T. C. ;

Anthony, A. E. ;

Barros, N. ;

Beier, E. W. ;

Bellerive, A. ;

Beltran, B. ;

Bergevin, M. ;

Biller, S. D. ;

Boudjemline, K. ;

Boulay, M. G. ;

Burritt, T. H. ;

Cai, B. ;

Chan, Y. D. ;

Chen, M. ;

Chon, M. C. ;

Cleveland, B. T. ;

Cox-Mobrand, G. A. ;

Currat, C. A. ;

Dai, X. ;

Dalnoki-Veress, F. ;

Deng, H. ;

Detwiler, J. ;

Doe, P. J. ;

Dosanjh, R. S. ;

Doucas, G. ;

Drouin, P. -L. ;

Duncan, F. A. ;

Dunford, M. ;

Elliott, S. R. ;

Evans, H. C. ;

Ewan, G. T. ;

Farine, J. ;

Fergani, H. ;

Fleurot, F. ;

Ford, R. J. ;

Formaggio, J. A. ;

Gagnon, N. ;

Goon, J. T. M. ;

Graham, K. ;

Grant, D. R. ;

Guillian, E. ;

Habib, S. ;

Hahn, R. L. ;

Hallin, A. L. ;

Hallman, E. D. ;

Hargrove, C. K. ;

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[7] Improving photoelectron counting and particle identification in scintillation detectors with Bayesian techniques [J].

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Amaudruz, P. -A. ;

Batygov, M. ;

Beltran, B. ;

Bodmer, M. ;

Boulay, M. G. ;

Broerman, B. ;

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Butcher, A. ;

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Cleveland, B. ;

Coakley, K. ;

Dering, K. ;

Duncan, F. A. ;

Formaggio, J. A. ;

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Gastler, D. ;

Giuliani, F. ;

Gold, M. ;

Golovko, V. V. ;

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Graham, K. ;

Grace, E. ;

Guerrero, N. ;

Guiseppe, V. ;

Hallin, A. L. ;

Harvey, P. ;

Hearns, C. ;

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Hime, A. ;

Hofgartner, J. ;

Jaditz, S. ;

Jillings, C. J. ;

Kachulis, C. ;

Kearns, E. ;

Kelsey, J. ;

Klein, J. R. ;

Kuzniak, M. ;

LaTorre, A. ;

Lawson, I. ;

Li, O. ;

Lidgard, J. J. ;

Liimatainen, P. ;

Linden, S. ;

McFarlane, K. ;

McKinsey, D. N. ;

MacMullin, S. .

ASTROPARTICLE PHYSICS, 2015, 65 :40-54

[8] 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. .

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[9] Design and construction of the DEAP-3600 dark matter detector [J].

Amaudruz, P. -A. ;

Baldwin, M. ;

Batygov, M. ;

Beltran, B. ;

Bina, C. E. ;

Bishop, D. ;

Bonatt, J. ;

Boorman, G. ;

Boulay, M. G. ;

Broerman, B. ;

Bromwich, T. ;

Bueno, J. F. ;

Burghardt, P. M. ;

Butcher, A. ;

Cai, B. ;

Chan, S. ;

Chen, M. ;

Chouinard, R. ;

Churchwell, S. ;

Cleveland, B. T. ;

Cranshaw, D. ;

Dering, K. ;

DiGioseffo, J. ;

Dittmeier, S. ;

Duncan, F. A. ;

Dunford, M. ;

Erlandson, A. ;

Fatemighomi, N. ;

Florian, S. ;

Flower, A. ;

Ford, R. J. ;

Gagnon, R. ;

Giampa, P. ;

Golovko, V. V. ;

Gorel, R. ;

Gornea, R. ;

Grace, E. ;

Graham, K. ;

Grant, D. R. ;

Gulyev, E. ;

Hall, A. ;

Hallin, A. L. ;

Hamstra, M. ;

Harvey, P. J. ;

Hearns, C. ;

Jillings, C. J. ;

Kamaev, O. ;

Kemp, A. ;

Kuzniak, M. ;

Langrock, S. .

ASTROPARTICLE PHYSICS, 2019, 108 :1-23

[10] First Results from the DEAP-3600 Dark Matter Search with Argon at SNOLAB [J].

Amaudruz, P. -A. ;

Baldwin, M. ;

Batygov, M. ;

Beltran, B. ;

Bina, C. E. ;

Bishop, D. ;

Bonatt, J. ;

Boorman, G. ;

Boulay, M. G. ;

Broerman, B. ;

Bromwich, T. ;

Bueno, J. F. ;

Burghardt, P. M. ;

Butcher, A. ;

Cai, B. ;

Chan, S. ;

Chen, M. ;

Chouinard, R. ;

Cleveland, B. T. ;

Cranshaw, D. ;

Dering, K. ;

DiGioseffo, J. ;

Dittmeier, S. ;

Duncan, F. A. ;

Dunford, M. ;

Erlandson, A. ;

Fatemighomi, N. ;

Florian, S. ;

Flower, A. ;

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Gagnon, R. ;

Giampa, P. ;

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Gorel, P. ;

Gornea, R. ;

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Gulyev, E. ;

Hakobyan, R. ;

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Harvey, P. J. ;

Hearns, C. ;

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Kuzniak, M. ;

Langrock, S. ;

La Zia, F. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2018, 121 (07)

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[1] Effects of Nitrogen and Oxygen contamination in liquid Argon [J].

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Antonello, M. ;

Baibussinov, B. ;

Baldo-Ceolin, M. ;

Benetti, P. ;

Calaprice, F. ;

Calligarich, E. ;

Cambiaghi, M. ;

Canci, N. ;

Carbonara, F. ;

Cavanna, F. ;

Centro, S. ;

Coccoi, A. G. ;

Di Pompeo, F. ;

Fiorillo, G. ;

Galbiati, C. ;

Gallo, V. ;

Grandi, L. ;

Meng, G. ;

Modena, I. ;

Montanari, C. ;

Palamara, O. ;

Pandola, L. ;

Pietropaolo, F. ;

Raselli, G. L. ;

Roncadelli, M. ;

Rossella, M. ;

Rubbia, C. ;

Segreto, E. ;

Szelc, A. M. ;

Tortorici, F. ;

Ventura, S. ;

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[2]

Aghanim N., 2018, ARXIV180706209

[3] DarkSide-50 532-day dark matter search with low-radioactivity argon [J].

Agnes, P. ;

Albuquerque, I. F. M. ;

Alexander, T. ;

Alton, A. K. ;

Araujo, G. R. ;

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. ;

Chepurnov, A. ;

Cicalo, C. ;

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. ;

Derbin, A. V. ;

Devoto, A. ;

Di Eusanio, F. ;

Di Pietro, G. ;

Dionisi, C. ;

Downing, M. .

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[4] Results from the Super Cryogenic Dark Matter Search Experiment at Soudan [J].

Agnese, R. ;

Aramaki, T. ;

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Baker, W. ;

Balakishiyeva, D. ;

Banik, S. ;

Barker, D. ;

Thakur, R. Basu ;

Bauer, D. A. ;

Binder, T. ;

Bowles, M. A. ;

Brink, P. L. ;

Bunker, R. ;

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Caldwell, D. O. ;

Calkins, R. ;

Cartaro, C. ;

Cerdeno, D. G. ;

Chang, Y. ;

Chen, Y. ;

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Cushman, P. ;

Daal, M. ;

Di Stefano, P. C. F. ;

Doughty, T. ;

Fascione, E. ;

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Fritts, M. ;

Gerbier, G. ;

Germond, R. ;

Ghaith, M. ;

Godfrey, G. L. ;

Golwala, S. R. ;

Hall, J. ;

Harris, H. R. ;

Hong, Z. ;

Hoppe, E. W. ;

Hsu, L. ;

Huber, M. E. ;

Iyer, V. ;

Jardin, D. ;

Jastram, A. ;

Jena, C. ;

Kelsey, M. H. ;

Kennedy, A. ;

Kubik, A. ;

Kurinsky, N. A. ;

Loer, B. ;

Asamar, E. Lopez .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2018, 120 (06)

[5] GEANT4-a simulation toolkit [J].

Agostinelli, S ;

Allison, J ;

Amako, K ;

Apostolakis, J ;

Araujo, H ;

Arce, P ;

Asai, M ;

Axen, D ;

Banerjee, S ;

Barrand, G ;

Behner, F ;

Bellagamba, L ;

Boudreau, J ;

Broglia, L ;

Brunengo, A ;

Burkhardt, H ;

Chauvie, S ;

Chuma, J ;

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Degtyarenko, P ;

Dell'Acqua, A ;

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Fesefeldt, H ;

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Forti, A ;

Garelli, S ;

Giani, S ;

Giannitrapani, R ;

Gibin, D ;

Cadenas, JJG ;

González, I ;

Abril, GG ;

Greeniaus, G ;

Greiner, W ;

Grichine, V ;

Grossheim, A ;

Guatelli, S ;

Gumplinger, P ;

Hamatsu, R ;

Hashimoto, K ;

Hasui, H ;

Heikkinen, A ;

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[6] Measurement of the cosmic ray and neutrino-induced muon flux at the Sudbury neutrino observatory [J].

Aharmim, B. ;

Ahmed, S. N. ;

Andersen, T. C. ;

Anthony, A. E. ;

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Beier, E. W. ;

Bellerive, A. ;

Beltran, B. ;

Bergevin, M. ;

Biller, S. D. ;

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Buck, B. ;

Butcher, A. ;

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Chen, M. ;

Chen, Y. ;

Cleveland, B. ;

Coakley, K. ;

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Duncan, F. A. ;

Formaggio, J. A. ;

Gagnon, R. ;

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