Directly Detecting Sub-GeV Dark Matter with Electrons from Nuclear Scattering

被引:127
作者
Dolan, Matthew J. [1 ]
Kahlhoefer, Felix [2 ]
McCabe, Christopher [3 ]
机构
[1] Univ Melbourne, Sch Phys, ARC Ctr Excellence Particle Phys Terascale, Melbourne, Vic 3010, Australia
[2] Rhein Westfal TH Aachen, Inst Theoret Particle Phys & Cosmol TTK, D-52056 Aachen, Germany
[3] Kings Coll London, Dept Phys, London WC2R 2LS, England
基金
英国科学技术设施理事会; 澳大利亚研究理事会;
关键词
RECOIL; CALIBRATION; SEARCH;
D O I
10.1103/PhysRevLett.121.101801
中图分类号
O4 [物理学];
学科分类号
0702 ;
摘要
Dark matter (DM) particles with mass in the sub-GeV range are an attractive alternative to heavier weakly interacting massive particles, but direct detection of such light particles is challenging. If, however, DM-nucleus scattering leads to ionization of the recoiling atom, the resulting electron may be detected even if the nuclear recoil is unobservable. We demonstrate that including this effect significantly enhances direct detection sensitivity to sub-GeV DM. Existing experiments set world-leading limits, and future experiments may probe the cross sections relevant for thermal freeze-out.
引用
收藏
页数:6
相关论文
共 91 条
[1]  
Aalbers J., 2018, THESIS
[2]   Planck 2013 results. XVI. Cosmological parameters [J].
Ade, P. A. R. ;
Aghanim, N. ;
Armitage-Caplan, C. ;
Arnaud, M. ;
Ashdown, M. ;
Atrio-Barandela, F. ;
Aumont, J. ;
Baccigalupi, C. ;
Banday, A. J. ;
Barreiro, R. B. ;
Bartlett, J. G. ;
Battaner, E. ;
Benabed, K. ;
Benoit, A. ;
Benoit-Levy, A. ;
Bernard, J. -P. ;
Bersanelli, M. ;
Bielewicz, P. ;
Bobin, J. ;
Bock, J. J. ;
Bonaldi, A. ;
Bond, J. R. ;
Borrill, J. ;
Bouchet, F. R. ;
Bridges, M. ;
Bucher, M. ;
Burigana, C. ;
Butler, R. C. ;
Calabrese, E. ;
Cappellini, B. ;
Cardoso, J. -F. ;
Catalano, A. ;
Challinor, A. ;
Chamballu, A. ;
Chary, R. -R. ;
Chen, X. ;
Chiang, H. C. ;
Chiang, L. -Y ;
Christensen, P. R. ;
Church, S. ;
Clements, D. L. ;
Colombi, S. ;
Colombo, L. P. L. ;
Couchot, F. ;
Coulais, A. ;
Crill, B. P. ;
Curto, A. ;
Cuttaia, F. ;
Danese, L. ;
Davies, R. D. .
ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 2014, 571
[3]   Projected sensitivity of the SuperCDMS SNOLAB experiment [J].
Agnese, R. ;
Anderson, A. J. ;
Aramaki, T. ;
Arnquist, I. ;
Baker, W. ;
Barker, D. ;
Thakur, R. Basu ;
Bauer, D. A. ;
Borgland, A. ;
Bowles, M. A. ;
Brink, P. L. ;
Bunker, R. ;
Cabrera, B. ;
Caldwell, D. O. ;
Calkins, R. ;
Cartaro, C. ;
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. ;
Fritts, M. ;
Gerbier, G. ;
Ghaith, M. ;
Godfrey, G. L. ;
Golwala, S. R. ;
Hall, J. ;
Harris, H. R. ;
Hofer, T. ;
Holmgren, D. ;
Hong, Z. ;
Hoppe, E. ;
Hsu, L. ;
Huber, M. E. ;
Iyer, V. ;
Jardin, D. ;
Jastram, A. ;
Kelsey, M. H. ;
Kennedy, A. ;
Kubik, A. ;
Kurinsky, N. A. ;
Leder, A. ;
Loer, B. .
PHYSICAL REVIEW D, 2017, 95 (08)
[4]   Search for low-mass WIMPs in a 0.6 kg day exposure of the DAMIC experiment at SNOLAB [J].
Aguilar-Arevalo, A. ;
Amidei, D. ;
Bertou, X. ;
Butner, M. ;
Cancelo, G. ;
Vazquez, A. Castaneda ;
Vergara, B. A. Cervantes ;
Chavarria, A. E. ;
Chavez, C. R. ;
Neto, J. R. T. de Mello ;
D'Olivo, J. C. ;
Estrada, J. ;
Moroni, G. Fernandez ;
Gaior, R. ;
Guardincerri, Y. ;
Torres, K. P. Hernandez ;
Izraelevitch, F. ;
Kavner, A. ;
Kilminster, B. ;
Lawson, I. ;
Letessier-Selvon, A. ;
Liao, J. ;
Mello, V. B. B. ;
Molina, J. ;
Pena, J. R. ;
Privitera, P. ;
Ramanathan, K. ;
Sarkis, Y. ;
Schwarz, T. ;
Sengul, C. ;
Settimo, M. ;
Haro, M. Sofo ;
Thomas, R. ;
Tiffenberg, J. ;
Tiouchichine, E. ;
Machado, D. Torres ;
Trillaud, F. ;
You, X. ;
Zhou, J. .
PHYSICAL REVIEW D, 2016, 94 (08)
[5]   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)
[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]   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)
[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. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2017, 118 (02)
[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]   Observation of coherent elastic neutrino-nucleus scattering [J].
Akimov, D. ;
Albert, J. B. ;
An, P. ;
Awe, C. ;
Barbeau, P. S. ;
Becker, B. ;
Belov, V. ;
Brown, A. ;
Bolozdynya, A. ;
Cabrera-Palmer, B. ;
Cervantes, M. ;
Collar, J. I. ;
Cooper, R. J. ;
Cooper, R. L. ;
Cuesta, C. ;
Dean, D. J. ;
Detwiler, J. A. ;
Eberhardt, A. ;
Efremenko, Y. ;
Elliott, S. R. ;
Erkela, E. M. ;
Fabris, L. ;
Febbraro, M. ;
Fields, N. E. ;
Fox, W. ;
Fu, Z. ;
Galindo-Uribarri, A. ;
Green, M. P. ;
Hai, M. ;
Heath, M. R. ;
Hedges, S. ;
Hornback, D. ;
Hossbach, T. W. ;
Iverson, E. B. ;
Kaufman, L. J. ;
Ki, S. ;
Klein, S. R. ;
Khromov, A. ;
Konovalov, A. ;
Kremer, M. ;
Kumpan, A. ;
Leadbetter, C. ;
Li, L. ;
Lu, W. ;
Mann, K. ;
Markoff, D. M. ;
Miller, K. ;
Moreno, H. ;
Mueller, P. E. ;
Newby, J. .
SCIENCE, 2017, 357 (6356) :1123-+