[论文解读] Search for low-mass dark matter with the DAMIC experiment

M. Settimo|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 15

一句话总结

本论文介绍了DAMIC实验利用厚实、完全耗尽的CCD作为超低噪声探测器，对低于10 GeV的电子反冲和核反冲事件进行探测，以搜寻低质量暗物质。在SNOLAB的40克探测器和在莫尔内正在开发的1公斤DAMIC-M探测器（采用Skipper-CCD技术）的配合下，实验实现了亚电子能分辨率，并对暗物质-电子散射和隐型光子吸收设定了严格限制，显著约束了亚GeV量级暗物质模型。

ABSTRACT

The DAMIC (Dark Matter in CCDs) experiment searches for the interactions of dark matter particles with the nuclei and the electrons in the silicon bulk of thick fully depleted charge-coupled devices (CCDs). Because of the low noise and low dark current, DAMIC CCDs are sensitive to the ionization signals expected from low-mass dark matter particles ($< 10$ GeV). A 40-gram target detector has collected data at the SNOLAB underground laboratory since 2017. Recent results from the searches for DM-electron scattering and hidden-photon absorption will be summarized and the status of WIMPs-nucleon search reported. A new detector -- DAMIC-M (DAMIC at Modane) -- with a mass-size of 1 kg and improved CCD readout is under design and will be installed at the underground laboratory of Modane, in France. The current status of DAMIC-M and the near future plans will be presented.

研究动机与目标

• 通过硅基CCD中暗物质粒子与电子和原子核的相互作用，搜寻低质量暗物质粒子，包括亚GeV量级的WIMPs和隐型 sector 粒子。
• 通过改进材料选择、屏蔽措施以及利用三维事件重建技术进行背景识别，降低硅基探测器中的本底水平。
• 开发并部署下一代探测器DAMIC-M，采用Skipper-CCD技术实现亚电子能分辨率，探测此前未被探索的暗物质参数空间。
• 测量CCD中的本底放射性，包括Si-32和Pb-210，并约束其对低能灵敏度的影响。
• 测试并验证Skipper-CCD技术在能量阈值低于3 eV ee的未来暗物质探测中的性能。

提出的方法

• 使用厚度为675 μm、像素尺寸为15×15 μm²的厚实、完全耗尽电荷耦合器件（CCD）作为暗物质相互作用的靶材料和传感器。
• 通过Skipper-CCD的非破坏性、重复读出技术实现亚电子能分辨率（实测为0.07 e−）。
• 利用电离电荷扩散的三维重建技术识别相互作用深度，区分表面事件与体区事件，从而实现背景抑制。
• 通过α、β和γ衰变的空间符合分析，测量CCD体区和表面的U/Th和Pb-210污染水平。
• 实施背景抑制策略，包括在无氡洁净室中组装、使用低本底材料（如电沉积铜）以及屏蔽以减少宇宙射线诱发的活化。
• 利用单能X射线和γ射线源以及宇宙μ子对电离响应进行标定，以确定电荷扩散参数和能量刻度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在暗物质质量介于0.6 MeV至6 MeV之间时，暗物质-电子散射的限制是什么？
• RQ2 CCD体区和表面中Si-32和Pb-210的存在如何影响低质量暗物质搜寻的灵敏度？
• RQ3 Skipper-CCD技术在多大程度上可降低能量阈值并提升对亚GeV量级暗物质粒子的探测灵敏度？
• RQ4 隐型光子吸收对本底的贡献有多大，如何对其进行约束？
• RQ5 SNOLAB的DAMIC背景模型能否外推用于指导莫尔内DAMIC-M的探测器设计与运行？

主要发现

• DAMIC实验测得CCD体区中Si-32污染为133.3 ± 27.8 μBq/kg，Pb-210污染为83.1 ± 11.8 nBq/cm²，显著低于以往原型。
• 基于未观测到α-β和双α符合事件，U-238和Th-232衰变链的污染水平分别被约束在每公斤每天0.53次以下和0.35次以下。
• DAMIC在90%置信水平下设定了0.6 MeV至6 MeV之间暗物质-电子散射截面的限制，排除了参数空间中的大范围区域。
• 原型Skipper-CCD实现了0.07 e−的单电子分辨率，证明了亚电子能分辨率在低质量暗物质探测中的可行性。
• 预计DAMIC-M探测器将实现2–3个电子的能量阈值（约3 eV ee），采用1公斤硅靶并具备更优的背景抑制能力。
• DAMIC-M对WIMPs-核子散射截面的预期灵敏度将达到不可约本底水平，从而可探索质量范围从1 MeV/c²至1 GeV/c²的隐型规范玻色子中介子。