Micro-physics simulations of columnar recombination along nuclear recoil tracks in high-pressure Xe gas for directional dark matter searches
方向灵敏度是WIMP暗物质研究的一个重要方面。然而，在大的目标质量下使核反冲的方向可见是一个挑战。为了实现这一目标，我们正在探索一种新的方法，通过利用柱状复合来检测高压氦气中短核反冲轨道的方向，长度可达几微米。柱状复合根据径迹和电场方向之间的角度改变闪烁和电离产率。为了实现这一点，电子的有效冷却至关重要。为了增强这种效应，三甲基胺（TMA）是一种候选添加剂，它不仅能有效地冷却电子，而且能通过潘宁转移增加柱状复合的量。我们进行了详细的模拟电离电子输运产生的核反冲在一个N2O3 + TMA气体混合物，并评估了柱状重组信号的大小。结果表明，在某些理想情况下，可以获得的方向性信号的磁道长度超过几个微米。虽然仍需要更多的研究与现实的假设，以评估这种技术的可行性，这可能打开了一个新的可能性暗物质搜索。
2015-05-14 hep-ex nucl-ex physics.ins-det
Low energy electron/recoil discrimination for directional Dark Matter detection
定向探测是一种很有前途的暗物质搜索策略。即使它可以适应相当大的背景污染，电子/反冲歧视仍然是一个关键和具有挑战性的问题，方向不敏感的探测器。3D径迹的测量可用于区分电子与核反冲。虽然在20 keV电离以上预期高抑制功率，但在低能量下需要专用数据分析。在识别判别观测量后，提出了一种多变量分析，即提升决策树，使暗物质搜索的有效事件标记。我们表明，它使我们能够优化拒绝，同时保持一个相当高的效率，这是强制性的稀有事件search.With顺序分析，拒绝是约20倍高的多变量分析，对于相同的暗物质排除限制。
2012-07-11 astro-ph.IM physics.ins-det
A Prototype Detector for Directional Measurement of the Cosmogenic Neutron Flux
介绍了一种新型定向中子探测器样机。低压时间投影室使用氦和CF4气体的混合物。该探测器重建了快中子反冲的能量和角分布。本文报道了使用α源的能量校准和使用准直中子源的角度重建研究的结果。最好的性能是用12.5%CF4气体混合物获得的。在低能量下，快速中子跃迁的目标主要是氦，而在较高能量下，氟作为目标。重建效率是能量和目标相关的。对于能量小于20 MeV的中子，氟反冲的重建效率约为40%，氦反冲的重建效率约为60%。
2013-01-17 hep-ex nucl-ex physics.ins-det
Measurement of the directional sensitivity of DMTPC detectors
暗物质时间投影室（DMTPC）是一种方向敏感探测器，设计用于使用光学和电荷读出系统测量低压CF $_4$气体中反冲$^{19}$ F和$^{12}$ C核的方向。在本文中，我们采用测量从两个DMTPC探测器，与30-60欧姆的工作压力，开发和验证的模型的方向响应和性能的这种探测器作为反冲能量的函数。使用我们的模型作为基准，我们制定了必要的规格可扩展的定向探测器的灵敏度与当前一代计数（非定向）实验，只测量反冲能量。假设现有DMTPC探测器的性能，以及对自旋相关WIMP-核截面的电流限制，我们发现，一个10-20公斤尺度的方向敏感探测器能够将核反冲的测量方向与入射暗物质粒子的预测方向相关联，并提供决定性的信息。（3）$σ$）确认来自非定向实验的候选信号确实是由暗物质粒子从目标核的弹性散射引起的。
2017-05-30 astro-ph.IM hep-ex physics.ins-det
Directional recoil detection
对暗物质引起的反冲的研究在过去几年里取得了令人印象深刻的进展。然而，该领域面临着几个突出的问题。首先，太阳中微子不可避免的背景将很快抑制许多暗物质模型的结论性鉴定。第二，也是更根本的一点，目前的实验没有实际的方法来确认探测到的信号的星系起源。定向探测的概念解决了这两个问题，同时提供了研究新的暗物质和中微子相关物理的机会。这个概念在实验上仍然具有挑战性，但气体时间投影室是一个越来越有吸引力的选择，并且当适当配置时，将允许对核反冲和电子反冲进行定向测量。在这篇综述中，我们重新评估所需的探测器性能和调查相关技术。幸运的是，实现良好方向性所需的高度分段的检测器也能够实现几种基本和应用物理测量。我们评论近期的挑战以及如何推进该领域。
2021-06-22 astro-ph.CO hep-ph physics.ins-det
First measurement of nuclear recoil head-tail sense in a fiducialised WIMP dark matter detector
最近的计算结果表明，定向暗物质探测器有可能探测中微子层以下的WIMP暗物质粒子。在这项工作中使用的DRIFT-IId探测器是一个领先的定向WIMP搜索时间投影室探测器。我们报告的第一次测量的检测定向核反冲在一个完全fiduciised低压时间投影室。在这种新的操作模式中，每个事件顶点和读出平面之间的距离通过测量通过向标称CS $_{2}$ + CF $_{4}$目标气体混合物中添加少量氧而产生的少数载流子来确定。CS $_2$ + CF $_4$ + O $_2$混合物已被证明能够在电流灵敏度下实现无背景操作。硫、氟和碳反冲是使用从位于探测器周围不同位置的$^{252}$ Cf源发射的中子产生的。沿反冲轨道的相对能量损失的测量允许轨道矢量感，或所谓的头-尾不对称参数，被推导出来。结果表明，在向气体混合物中加入氧气后，先前报道的纯CS $_{2}$中的头尾灵敏度的观察得到了很好的保留。
2016-11-24 hep-ex physics.ins-det
Observables for Recoil Identification in High-Definition Gas Time Projection Chambers
核反冲的定向探测在核物理和粒子物理中是广泛需要的。在低反冲能量下，这种能力可以用来确认暗物质信号的宇宙起源，穿透所谓的中微子层，或者区分不同的中微子源。气体时间投影室（TPC）可以在读出粒度足够高的情况下实现定向反冲检测，如当利用微图案气体检测器（MPGD）时的情况。这种探测器的一个关键挑战是识别和拒绝由探测器材料和环境中的放射性污染物的伽马射线引起的背景电子反冲事件。我们定义了新的观测值，可以区分电子和核反冲，即使在千电子伏级的能量，基于模拟电离的拓扑结构。我们进行了模拟研究，表明这些观测优于传统上使用的判别式，dE/dx，高达三个数量级。此外，这些新的可观测值即使在远低于10 keV的电离能下也能很好地工作，并且即使在方向性失败的情况下也保持稳健。
2021-09-17 physics.ins-det
Ionization and scintillation of nuclear recoils in gaseous xenon
在电致发光时间投影室中同时观测到了氙在14巴压力下的核反冲产生的电离和闪烁。中子从放射性同位素$α$ -Be中子源被用来诱导氙核反冲，并观察到的反冲光谱进行了比较，一个详细的蒙特卡罗采用估计的电离和闪烁产率的核反冲。的能力，区分电子和核反冲使用的比率电离初级闪烁证明。这些结果鼓励进一步研究在气相中使用氙作为暗物质直接探测实验中的探测介质。
2014-09-09 hep-ex nucl-ex physics.ins-det
A review of the discovery reach of directional Dark Matter detection
宇宙学观测表明宇宙中的大部分物质是暗物质。弱相互作用大质量粒子（WIMPs）形式的暗物质可以通过其在目标核上的弹性散射直接被探测到。目前大多数直接探测实验只测量反冲核的能量。然而，定向探测实验对核反冲的方向也很敏感。由于太阳相对于银河系静止坐标系的运动，方向反冲率具有偶极特征，在太阳运动方向附近达到峰值。这为证明核反冲的银河起源提供了一个强有力的工具，从而明确地探测到暗物质。此外，定向反冲分布取决于WIMP的质量，散射截面和当地的速度分布。因此，有了大量的反冲事件，就有可能从粒子和天体物理性质的角度研究暗物质的物理学。我们审查的潜在的定向探测器检测和表征WIMP。
2016-03-17 astro-ph.CO hep-ph physics.ins-det
Quenching factor measurement in low pressure gas detector for directional dark matter search
有相当多的实验致力于粒子暗物质的定向探测。气态μ-TPC探测器呈现出能够在相互作用之后重建反冲核的轨道和能量的特权特征。精确测量后坐能量是定向搜索策略的关键。必须考虑淬火，即只有一定比例的反冲能量沉积在电离通道中。在格勒诺布尔LPSC的专用离子束装置上测量了室温下不同气体混合物的电离猝灭因子。
2011-10-10 physics.ins-det
Dark Matter Directionality Detection performance of the Micromegas-based $μ$TPC-MIMAC detector
本文研究了基于Micromegas的μTPC-MIMAC探测器的暗物质方向性探测性能，通过低能离子束和单能中子场实验测量了核反冲径迹的角分布，发现其角分辨率优于15度，并证明质子是探测轻WIMPs的更优靶材。
2020-07-27 hep-ex physics.ins-det
Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering with directional detectors
我们研究了探测器的灵敏度与相干弹性中微子-核散射（CE $ν$ NS）的方向灵敏度，以及这些探测器如何补充测量的核反冲能。我们考虑停止π介子和反应堆中微子源，并使用气态氦和氟作为探测器材料的例子。我们生成标准模型预测，并与包括新的轻矢量或标量介质的方案进行比较。我们表明，定向探测器可以提供有价值的额外信息，在辨别新的物理，我们确定突出的光谱特征的角度和反冲能谱的光介质，即使是核反冲能量阈值高达$\sim 50$千电子伏。结合能量和时间信息，方向信息可以在从CE $ν$ NS实验中提取新物理中发挥重要作用。
2020-03-25 hep-ex hep-ph nucl-ex
Dark Matter directional detection: comparison of the track direction determination
已经提出了几种定向技术用于暗物质的定向探测，其中包括各向异性晶体探测器、核乳胶板和低压气态TPC。关键是要获得由于WIMP的弹性散射引起的核反冲的初始方向。在这篇文章中，我们的目的是估计，对于每种方法，如何反冲轨道的初始方向的信息被保存在不同的探测器材料。我们使用SRIM模拟代码来模拟每种材料中第一个反冲核的运动。我们建议使用一个新的观察，D，量化保存的反冲核在检测器中的初始方向。我们表明，在乳液混合物和各向异性晶体，初始方向是失去了非常早，而在一个典型的TPC气体混合，方向是保存完好。
2017-01-16 astro-ph.IM physics.ins-det
CYGNUS: Feasibility of a nuclear recoil observatory with directional sensitivity to dark matter and neutrinos
现在，传统的弱相互作用大质量粒子（WIMP）暗物质搜索正在接近中微子底，对核反冲方向敏感的探测器的兴趣已经复苏。大规模定向探测器的吸引力在于，它的灵敏度低于中微子底部，能够明确地确定所谓的暗物质信号的星系起源，并且可以作为中微子观测站发挥双重作用。我们提出了第一个1000米的$^3$规模的探测器能够在低能量下测量定向核反冲信号的详细分析。我们提出了一个模块化和多站点天文台组成的时间投影室（TPC）充满氦气和SF $_6$在大气压。根据TPC读出技术，10-20个高于6 keVr的氦反冲或仅3-4个高于20 keVr的反冲就足以区分10 GeV的WIMP信号和太阳中微子背景。高分辨率的电荷读出还实现了远低于10 keV的强大电子背景抑制能力。我们详细介绍了1000 m $^3$规模的背景和现场要求，并确定了需要提高放射性纯度的材料。最后一个实验，我们命名为CYGNUS-1000，将能够观察到10-40个来自太阳的中微子，这取决于最终的能量阈值。在相同的曝光量下，对自旋无关的截面的灵敏度将扩展到目前尚未探索的亚10 GeV参数空间。对于自旋相关的相互作用，10 m $^3$规模的实验已经可以与即将到来的第二代探测器竞争，但CYGNUS-1000将大大改善这一点。更大的体积将带来对来自更广泛来源的中微子的敏感性，包括银河系超新星，核反应堆和地质过程。
2020-12-22 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Three-dimensional track reconstruction for directional Dark Matter detection
定向探测暗物质是一种很有前途的搜索策略。然而，为了执行这样的检测，必须从反冲轨道中检索给定的一组参数：方向、感测和检测器体积中的位置。为了优化航迹重建并充分利用未来方向检测器的数据，我们提出了一种专用于三维航迹重建的似然方法。这种新的分析方法被应用到MIMAC检测器。它需要对轨道测量进行完全模拟，以便将真实轨道与模拟轨道进行比较。我们得出结论，可以实现良好的空间分辨率，即阳极平面中的亚毫米和沿漂移轴的厘米。这开启了执行定向检测器的基准化的可能性。角分辨率的范围为20 $^\circ$至80 $^\circ$，这取决于反冲能量，然而，这足以实现暗物质的高意义的发现。相反，我们表明，方向探测器的意义识别能力强烈依赖于反冲能量和漂移距离，与小的效率值（50%-70%）。我们建议不要考虑这些信息，无论是排除或发现暗物质的反冲低于100千电子伏，然后把重点放在轴向数据。
2012-04-11 astro-ph.IM physics.ins-det
Long-term study of backgrounds in the DRIFT-II directional dark matter experiment
正在为定向暗物质搜索开发的低压气体时间投影室提供了一种具有强大粒子识别能力的技术，这种技术结合了对银河系弱相互作用大质量粒子（WIMP）暗物质进行明确探测的潜力。在这样的实验中，一个能够模拟真正的WIMP诱导的核反冲轨道的事件源来自真空容器内氡气体的衰变。由相关子核产生的反冲被称为氡子体反冲（RPR）。我们在这里提出的实验数据，从一个长期的研究，使用DRIFT-II定向暗物质实验在博尔比地下实验室的RPR，和其他背景，揭示了放松正常的削减，适用于WIMP搜索数据。通过使用5.5年的数据在空间和时间坐标上详细检查事件类别，我们证明了确定4个特定背景人群起源的能力，并描述了抑制它们的新技术和缓解策略的发展。
2014-05-12 hep-ex physics.ins-det
First detection of tracks of radon progeny recoils by MIMAC
MIMAC实验是一个用于定向暗物质搜索的$μ$ -TPC矩阵项目。定向探测是一种基于测量由于太阳系相对于暗物质晕的运动而引起的WIMP通量各向异性的策略。MIMAC计划的主要目的是测量WIMP弹性散射产生的三维核反冲能量和方向。自2012年6月以来，一个双室原型在Modane地下实验室运行。本文首次报道了氡子体产生的核反冲的电离能和三维径迹观测。该测量显示了MIMAC探测器的能力，并为探索低能反冲方向性特征提供了可能性。
2017-06-20 astro-ph.IM nucl-ex physics.ins-det
Dark Matter directional detection with MIMAC
定向探测是一种很有前途的直接暗物质搜索策略。在银道坐标系中，WIMP事件的核反冲径迹角分布应呈现各向异性。该策略需要测量具有约5 keV的阈值的反冲能量，并且3D反冲跟踪下降到几毫米。MIMAC项目以\textmu -TPC矩阵为基础，包括$CF_4$和$CHF_3$，正在开发中。2012年6月，在LSM（Modane的Souterrain）安装了一个双室原型。对前四个月数据采集的初步分析首次允许观察到来自$\mathrm{^{222}Rn}$子代的反冲。
2013-06-18 astro-ph.CO astro-ph.IM physics.ins-det
Developments and improvements of radiopure ZnWO$_{4}$ anisotropic scintillators
ZnWO $_4$是一种各向异性晶体闪烁体，由于其独特的特性，它是一种很有前途的探测器，可以利用所谓的方向性方法来研究引起核反冲的暗物质（DM）候选者。最近，在ADAMO项目的框架下，已经进行了开发高质量和超辐射纯ZnWO $_4$晶体掺杂剂的研发。本文报道了ZnWO $_4$对$α$粒子和中子散射引起的核反冲的各向异性响应的测量结果。在ENEA-CASACCIA的中子发生器已经产生了单色中子。在三种不同的核反冲能量下，确定了沿不同晶轴的核反冲淬灭因子值。这些结果打开了可能性，实现了一个先驱性的实验，以调查上述DM候选人的方向性。
2020-04-05 hep-ex physics.ins-det
Transient thermal effects in solid noble gases as materials for the detection of Dark Matter
对固体惰性气体中反冲停止所产生的瞬态现象进行了模拟，反冲停止是由来自星系晕的WIMP的弹性散射过程引起的，晶格和电子子系统的温度与反冲轨道的距离以及从其通过的时间的依赖关系。分析了在不同初始温度和WIMP能量下，Ar、Kr和Ar中产生的这些热瞬变的特性，并与靶的特性和反冲的能量损失进行了关联。结果进行了比较，由相同的WIMPs在Si和Ge中产生的热尖峰。在所研究的能量范围内，自反冲、局部相变、甚至液-气相变的能量可达几十keV，并建立了阈值参数。
2011-07-06 astro-ph.IM gr-qc physics.ins-det
A Comparison of Micromegas with x/y Strip Charge Readouts for Directional Recoil Detection
本文比较了 9 种 Micromegas 与 x/y 条读出配置，发现 DLC 层可提高抗火花能力和增益分辨率，并据此为 40 L 方向性反冲探测器选出最佳读出方案。
2024-12-28 hep-ex physics.ins-det
Directional dark matter detection sensitivity of a two-phase liquid argon detector
我们研究了一个大规模的两相液氩探测器的暗物质信号的方向性的灵敏度。进行这项研究的假设下，超过50千电子伏的反冲能量，可以确定（具有一定的分辨率）的反冲核的方向，而没有头-尾歧视，如建议利用的依赖性的柱状复合的反冲核方向和电场之间的角度过去的研究。在本文中，我们研究的微分相互作用反冲率作为一个函数的反冲方向角相对于天顶的探测器位于Gran Sasso国家天文台，我们确定其昼夜和季节的调制。使用似然比为基础的方法，我们表明，与单独的角度信息，100个事件足以拒绝在三个标准差水平的各向同性假设。对于100吨年的辐照量，这相当于在200 GeV的WIMP质量下，自旋无关的WIMP-核子截面约为10^-46 cm ^2。本文的结果为实验测定两相液氩探测器中的定向反冲效应提供了有力的动力。
2019-01-14 astro-ph.CO hep-ph physics.ins-det
Challenges for the directional dark matter direct detection
本文围绕定向暗物质直接探测，介绍气体TPCs这一主流成熟探测装置，综述其发展历程、现存挑战与未来前景，为定向暗物质探测研究提供参考。
2024-03-07 astro-ph.CO astro-ph.IM hep-ex
CYGNO: a gaseous TPC with optical readout for dark matter directional search
CYGNO项目的目标是使用具有光学读出的气态TPC来探测低能量阈值和方向性的暗物质和太阳中微子。CYGNO演示器将由1立方米的体积组成，在大气压下填充He：CF 4气体混合物。光学读出与高粒度CMOS传感器，结合快速光探测器，将提供一个详细的重建的事件拓扑结构。这将允许区分核反冲信号与背景，主要由放射性诱导的低能电子反冲表示。由于高重建效率，CYGNO将对低质量暗物质敏感，并有可能克服中微子底，这最终限制了非定向暗物质的搜索。
2020-07-24 physics.ins-det
First reconstruction of absolute three-dimensional position of nuclear recoils using a negative ion $μ$-TPC for dark matter search experiments
使用负离子气体的微型时间投影室（NI $μ$ TPC）的研究专门针对方向敏感的暗物质搜索进行。NI $μ$ TPC能够测量自触发TPC在漂移方向上的绝对位置。本研究提供了一个NI $μ$ TPC的发展，使用微像素室（$μ$ -PIC）与专用的读出电子，和使用中子源的核反冲的三维绝对位置重建的能力的评估。在整个漂移体积中以70 $\pm$ 5%的效率重建绝对径迹位置。这项工作标志着NI $μ$ TPC朝着定向暗物质搜索的实际应用迈出了重要的一步。
2023-02-21 hep-ex physics.ins-det
Optimisation of amplification and gas mixture for directional Dark Matter searches with the CYGNO/INITIUM project
本文围绕CYGNO/INITIUM方向性暗物质探测项目，研究通过优化光产额、引入高电负性气体抑制电子云扩散，并利用统计工具评估方向性探测器在设定WIMP-核子灵敏度极限及区分不同暗物质模型方面的性能。
2025-07-03 astro-ph.IM physics.ins-det
3-D Tracking of Nuclear Recoils in a Miniature Time Projection Chamber
核反冲的三维重建对于快速中子的定向探测和对弱相互作用大质量粒子（WIMPs）的方向敏感的搜索是很有意义的，而WIMPs可能构成宇宙的暗物质。我们证明了这种能力与一个微型气体目标时间投影室（TPC）的漂移电荷是雪崩倍增与气体电子倍增器（GEM）和检测与ATLAS FE-I3像素专用集成电路（ASIC）。我们报告的性能表征的检测器，包括测量的增益，增益分辨率，点分辨率，扩散，角分辨率和能量分辨率与低能量的X射线，宇宙射线和α粒子，使用气体Ar：CO $_2$（70：30）和他：CO $_2$（70：30）在大气压下。我们讨论了未来的影响，更大的定向中子和暗物质探测器。着眼于设计和选择这些组件，我们概括我们的结果到检测器性能的分析表达式尽可能。最后，我们展示了3-D定向检测的快中子源。
2014-07-25 astro-ph.IM physics.ins-det
CYG$ν$S: Detecting solar neutrinos with directional gas time projection chambers
本研究评估了拟议的CYGNUS气体TPC网络在用于暗物质探测的同时测量太阳中微子的可行性，分析了所需性能条件，表明该网络可成为有竞争力的定向中微子实验并与专用观测站互补。
2024-04-02 hep-ph physics.ins-det
A 1 m$^3$ Gas Time Projection Chamber with Optical Readout for Directional Dark Matter Searches: the CYGNO Experiment
CYGNO项目的目标是建造和运行1~m $^3$气体TPC，用于定向暗物质搜索和相干中微子散射测量，作为100-1000~m $^3$（0.15-1.5吨）CYGNUS地下实验网络的原型。在这样的TPC中，由暗物质或中微子引起的核反冲产生的电子将漂移到三层GEM结构并被其倍增，雪崩过程中产生的光将由sCMOS相机读出，提供分辨率为几百微米的事件的2D图像。光电倍增管还可以同时快速读出光产生的时间分布，给出关于第三坐标的信息，因此可以对事件进行3D重建，从中可以推断出核反冲的方向以及入射粒子的方向。事件拓扑结构的这种详细重建还将允许纯且有效的信号与背景区分。这两个特征是达到和克服太阳中微子背景的关键，太阳中微子背景将最终限制无方向性的暗物质搜索。
2020-01-08 hep-ex physics.ins-det
GEM-based TPC with CCD Imaging for Directional Dark Matter Detection
本文介绍一种基于GEM的高分辨率CCD读出TPC，用于方向性暗物质探测，实现低能电子与核反冲径迹的精确测量和背景甄别。
2016-09-23 astro-ph.IM hep-ex nucl-ex
Charge Amplification in Sub-atmospheric CF4:He Mixtures for Directional Dark Matter Searches
本文实验研究在低压 CF4 中添加 He 对单个 ThGEM 气体增益和能量分辨率的影响，以验证该混合气体用于方向性暗物质搜寻的可行性。
2024-02-23 physics.ins-det
Cathode signal in a TPC directional detector: implementation and validation measuring the drift velocity
低压气态TPC是非常适合的探测器，可以将核反冲的方向与银河系暗物质（DM）晕相关联。事实上，除了提供由于DM粒子在靶气体中的核上的弹性散射而导致的能量沉积的测量之外，它们还允许重建反冲核的轨道。为了排除源自漂移体积内的检测器材料的表面上的放射性衰变的背景事件，正在努力沿着垂直于阴极平面的轴精确地定位漂移体积中的径迹核反冲。在这里，我们报告的实施措施，在阴极上诱导的信号的运动的初级电子朝着阳极在MIMAC室。作为验证，我们进行了所考虑的气体混合物中的电子的漂移速度的独立测量，在时间上将阴极信号与阳极上的电子的到达时间的测量相关联。
2017-11-20 astro-ph.IM physics.ins-det
MPGD Optical Read Out for Directional Dark Matter Search
时间投影法是追踪低能释放粒子的理想方法。可以通过中等数量的通道读出大体积，提供敏感体积内的带电轨道的完整3D重建。它不仅允许测量总释放能量，而且还允许测量沿着轨道的能量释放密度，这对于粒子识别和解决轨道的首尾模糊性非常有用。此外，气体是研究暗物质相互作用的一个非常有趣的目标。在气体中，核反冲力可以传播足够长的距离，产生足够长的轨迹，以便获得和重建。
2019-01-14 hep-ex physics.ins-det
R&D Status of Nuclear Emulsion For Directional Dark Matter Search
在本研究中，我们正在进行核乳胶定向暗物质搜索的研究与开发。首先，在名古屋大学的乳剂生产设施中开发了具有精细卤化银晶体的更高分辨率的核乳剂，我们确认它可以检测预期的核反冲径迹。新技术要求读出亚微米磁道。我们开发了扩展技术，并可以读出信号的形状分析与光学显微镜。在150 ~ 200 nm的原始轨道长度范围内，光学显微镜的二维角分辨率为36 °。最后，我们用14.8MeV中子产生的反冲核进行了验证，并研制了以SPring-8为最终检查的X射线显微镜系统，用光学显微镜对选定的候选径迹进行了更高分辨率的检查。在150 ~ 250 nm的径迹长度范围内，角分辨率由光学显微镜的31 °提高到X射线显微镜的17 °。我们正在开发实用的系统，并计划开始与原型探测器的测试运行。
2011-09-22 astro-ph.IM hep-ex physics.ins-det
Observation of the 'head-tail' effect in nuclear recoils of low-energy neutrons
对暗物质的定向探测可以提供对暗物质相互作用的明确观测，即使在存在背景的情况下。本文介绍了一种利用探测器材料探测暗物质粒子散射过程中弹性核反冲产生的闪烁光来测量暗物质风方向标记（“首尾”）的实验方法。该技术是通过标记的低能中子与CF 4在低压时间投影室，是由DMTPC合作开发的散射中产生的核反冲的方向证明。测量沿反冲轨道电离率的下降提供了入射中子的方向标记，并证明了“头-尾”效应的观察。
2007-10-09 astro-ph hep-ex physics.ins-det
Measurements of ZnWO$_4$ anisotropic response to nuclear recoils for the ADAMO project
各向异性散射器可以提供一种独特的可能性，利用所谓的方向性方法，以调查这些暗物质（DM）的候选人诱导核反冲的存在。事实上，它们的使用可以克服探测极短的核反冲痕迹的困难。在本文中，我们提出了最近的测量ZnWO $_4$晶体闪烁体的各向异性响应的核反冲，在ADAMO项目的框架。ZnWO $_4$晶体的各向异性特征最初是用$α$颗粒测量的;这些结果也已被这里提供的附加测量所证实。实验核反冲数据是通过使用中子发生器在ENEA-CASACIA和中子探测器来标记散射的中子;特别是，淬灭因子值沿不同的晶轴的核反冲已经确定了三个不同的中子散射角（即核反冲能量）。根据这些测量，已确定ZnWO $_4$晶体闪烁体中核反冲的光响应的各向异性为5.4个标准差。
2020-02-21 hep-ex nucl-ex physics.ins-det
CYGNO: Triple-GEM Optical Readout for Directional Dark Matter Search
CYGNO是一个实现立方米演示器的项目，用于研究大体积、配备GEM的TPC读出的光学方法性能的可扩展性。这是CYGNUS原型合作的一部分，旨在构建一个地下观测站网络，用于定向暗物质搜索。结合使用高粒度sCMOS和快速传感器读出在倍增过程中GEM通道中产生的光，一方面可以重建轨道的3D方向，提供准确的能量测量和对源方向性的灵敏度，另一方面，高粒子识别能力非常有用，以区分核反冲。将介绍所进行的研发结果和未来30-100立方米实验的步骤。
2019-10-21 hep-ex physics.ins-det
Status and Prospects of the DMTPC Directional Dark Matter Experiment
DMTPC定向暗物质探测实验是一个低压CF4气体时间投影室，装有电荷和闪烁光子读出器。这种探测器的设计策略强调重建WIMP引起的核反冲轨道，以确定入射的暗物质粒子的方向。定向探测有可能利用暗物质风的独特角度特征对暗物质进行明确的观测，这种特征与所有已知的背景都不同。本文将简要回顾DMTPC的实验技术和现状。
2011-11-01 physics.ins-det
Low Energy Electron and Nuclear Recoil Thresholds in the DRIFT-II Negative Ion TPC for Dark Matter Searches
了解在尽可能低的能量下测量和区分粒子事件的能力是开发新实验以寻找弱相互作用大质量粒子（WIMP）暗物质的基本要求。在本文中，我们详细评估了1 m^3 DRIFT-II定向灵敏、低压负离子时间投影室（NITPC）中低于10 keV的潜在灵敏度，该评估基于多丝正比室（MWPC）读出中的逐事件径迹重建和量热法。通过应用一个数字平滑多项式，它表明，探测器是敏感的硫和碳反冲分别下降到2.9和1.9 keV，和1.2 keV的电子感生事件。通过5.9 keV的γ谱的55 Fe，其中的能量分辨率是足够的，以确定逃逸峰的能量灵敏度证明。较低的能量灵敏度对WIMP排斥极限的影响被证明。除了反冲方向重建的WIMP搜索，这种灵敏度表明新的应用前景也在KK轴子搜索。
2009-03-30 hep-ex physics.ins-det
Discovery potential for directional Dark Matter detection with nuclear emulsions
直接寻找暗物质是当今最热门的研究课题之一，许多实验努力致力于寻找由弱相互作用大质量粒子（WIMPs）散射引起的核反冲。探测器能够重建原子核对散射的WIMP的反冲方向，这开辟了一个新的领域，可能将暗物质的研究扩展到中微子背景之外。利用方向性还可以通过明确的信号背景分离来证明暗物质的星系起源。事实上，反冲核的角分布集中在天鹅座的方向，而背景分布预计是各向同性的。目前的定向实验是基于气体TPC，其灵敏度是有限的小可实现的检测器质量。在本文中，我们提出了一个定向实验的基础上使用的固体目标，新开发的核乳胶和光学读出系统达到前所未有的纳米分辨率的发现潜力。
2018-01-19 astro-ph.CO hep-ph physics.ins-det
Recoil imaging for directional detection of dark matter, neutrinos, and physics beyond the Standard Model
反冲成像需要检测由粒子相互作用产生的空间分辨电离轨道。这是许多类别探测器中非常受欢迎的能力，在粒子和天体粒子物理学中具有广泛的应用。然而，在低能量下，其中电离特征在尺寸上是小的，反冲成像似乎仅是微图案气体检测器的实际目标。本白皮书概述了反冲成像的物理情况，并提出了一个十年计划，以推进低能量反冲的定向探测，其灵敏度和分辨率接近基本性能极限。科学案例包括：发现中微子雾中的暗物质，亚MeV太阳中微子的定向探测，相干弹性中微子-核散射的精确研究，太阳轴子的探测，米格达尔效应的测量，X射线偏振测量，以及其他几个应用物理目标。我们还概述了必要的研发计划，以测试的概念，是至关重要的，以推进探测器的性能对他们的基本限制：单初级电子灵敏度与全三维空间分辨率在$\sim$ 100微米尺度。这些进步包括：负离子漂移的使用、具有高清晰度电子读出的电子计数、具有光学读出的时间投影室以及在诸如氩的高密度气体中进行核反冲跟踪的可能性。我们还讨论了读出和电子系统需要扩大这种探测器的吨级及以上。
2022-07-17 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Investigating the anisotropic scintillation response in anthracene through neutron, gamma-ray, and muon measurements
本文报道了一系列的测量，表征的闪烁响应的结晶蒽入射DT中子，DD中子，Cs-137 γ射线，并首次，宇宙射线μ子的方向依赖性。的中子测量给出的振幅和脉冲形状依赖于质子反冲方向超过一个半球的晶体，确认和扩展文献中以前的结果。在使用入射伽马射线的类似测量中，没有方向效应是明显的，并且相对于电子反冲方向的任何各向异性被约束为具有小于质子反冲事件中存在的十分之一的幅度。在两个方向上测量宇宙μ子，没有观察到各向异性。这组观察结果表明，对于给定类型的闪烁事件，高dE/dx对于各向异性是必要的，这反过来可以用于区分各向异性的根本原因的不同假设，这还没有很好地理解。
2015-10-31 physics.ins-det
Track length measurement of $^{19}$F$^+$ ions with the MIMAC Dark Matter directional detector prototype
弱相互作用大质量粒子（WIMPs）是暗物质的首选候选者之一。WIMPs应该与探测器的原子核相互作用。如果在直接探测实验中最终观察到一个强有力的信号，那么确认其银河系起源的最佳特征将是核反冲轨道方向。MIMAC合作开发了一种低压气体探测器，可提供核反冲的动能和三维径迹重建。在本文中，我们报告的第一次观测$^{19}$ F核径迹的$5$厘米漂移原型MIMAC探测器，在低动能范围内（$6$ - $26$ keV），使用专门开发的离子束设施。我们已经测量了反冲轨道的长度，并发现我们的测量和标准模拟之间的显着差异。为了理解这些差异，我们进行了一系列的补充实验和模拟，以研究扩散和最终系统学的影响。我们示出了一个意想不到的依赖性的读出的数量对应于施加到Micromegas检测器的$512\ \mathrm{μm}$间隙的电场上的轨道。我们已经介绍了，基于闪光ADC可观察的，校正，以重建物理的3D轨道长度的主要电子云提出这些校正背后的物理。我们表明，扩散和空间电荷效应需要考虑到解释测量和标准模拟之间的差异。这些测量和模拟可能会揭示一个新的光的高增益TPC电离信号一般，特别是在低能量。
2020-03-26 astro-ph.IM hep-ex physics.ins-det
Directional Detection of Dark Matter Using Solid-State Quantum Sensing
本研究提出基于宽禁带半导体金刚石的混合模式暗物质定向探测器方案，利用亚微米损伤径迹记录方向信号，结合量子传感等技术读出，有望突破中微子本底限制，推动多学科发展与精密暗物质、中微子物理研究。
2023-06-14 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
MIMAC low energy electron-recoil discrimination measured with fast neutrons
MIMAC（MIcro-TPC MATERIAL of Chambers）是一个定向WIMP暗物质探测器项目。直接的暗物质实验需要高水平的电子/反冲鉴别来寻找由WIMP-核弹性散射产生的核反冲。在本文中，我们提出了一个原始的方法，电子事件拒绝的基础上，应用于实验数据采集单色中子场的多元分析。该分析表明，$10^5$抑制功率对于电子/反冲辨别是可达到的。此外，通过蒙特卡罗模拟估计效率，表明在考虑全能量范围的情况下，利用$86.49\pm 0.17$ \%的核反冲效率达到105电子排斥功率，并且在考虑5 keV的低阈值的情况下，利用$94.67\pm0.19$ \%的核反冲效率达到105电子排斥功率。
2016-07-04 astro-ph.IM physics.ins-det
Recent Progress on D$^3$ -- The Directional Dark Matter Detector
方向敏感的WIMP暗物质搜索可能有助于克服直接暗物质探测实验所面临的挑战。特别是，定向探测器应该能够清楚地区分暗物质信号和背景源。我们正在开发一个定向暗物质探测器（D $^3$）的基础上的气体时间投影室（TPC）使用气体电子倍增器（GEMs）的电荷放大和像素电子读出。这种方法允许在室温探测器中以低能量阈值和低噪声对核反冲进行三维重建。我们提出了一个概述，我们过去和正在进行的工作开发这项技术，包括小型原型的性能测量，以及我们计划未来的工作，构建一个m $^3$ -规模的检测器，以清楚地确定所看到的DAMA，CoGeNT和CRESST-II的信号是否是由于低质量WIMP或背景。
2014-02-01 astro-ph.IM hep-ex physics.ins-det
Intrinsic neutron background of nuclear emulsions for directional Dark Matter searches
核乳胶技术的最新发展导致了具有纳米卤化银颗粒的薄膜的生产，其适合于跟踪具有亚微米长度的低能核反冲。这一改进为定向暗物质探测开辟了道路，从而为正在进行的WIMP搜索提供了一种创新和补充的方法。这些搜索的一个重要的背景源是由中子引起的核反冲，可以模仿WIMP信号。在本文中，我们提供了一个估计的贡献，这本底从固有的放射性污染的核乳胶。我们还报告了作为读出阈值的函数的诱导背景，通过使用GEANT 4模拟的核乳胶，表明它相当于约0.06中子每年每公斤，完全兼容的设计的10公斤$\times$年曝光。
2016-06-02 astro-ph.IM physics.ins-det
Performance of the ReD TPC, a novel double-phase LAr detector with Silicon Photomultiplier Readout
设计并建造了一个有效质量为185 g的双相氩时间投影室（TPC），用于反冲方向性（ReD）实验。ReD项目的目的是研究基于氩的TPC通过柱状复合对感兴趣的能量范围（20-200 keV $_{nr}$）内的核反冲的定向灵敏度，用于直接暗物质搜索。的关键新功能的ReD TPC是一个读出系统的基础上，低温硅光电倍增器，这是雇用和连续运行的第一次在氩TPC。在六个月的时间里，ReD TPC在各种操作条件下使用$γ$射线和中子源进行了调试和表征，证明了光学传感器的出色稳定性和结果的可重复性。TPC的闪烁增益和电离放大分别为$g_1 = (0.194 \pm 0.013)$ PE/光子和$g_2 = (20.0 \pm 0.9)$ PE/电子。电离闪烁信号的比率（S2/S1），有助于积极识别的候选人诱导的WIMPs定向信号，已被调查的核和电子反冲。在183 V/cm的漂移场下，对于大约60-90 keV $_{nr}$的核反冲，测量到12%的S2/S1色散，而对于沉积60 keV能量的电子反冲，测量到18%的S2/S1色散。这里报告的检测器性能满足所需的要求，以实现主要的科学目标的ReD实验中的方向性效应，由于柱状重组的搜索。在LAr的复合概率的唯象参数化，并用于建模的依赖性闪烁淬灭和电荷产量的漂移场之间的电子反冲50-500 keV和字段高达1000 V/cm。
2021-06-24 physics.ins-det
Low Threshold Results and Limits from the DRIFT Directional Dark Matter Detector
我们目前的结果，从54.7天的现场屏蔽运行的漂移-IId探测器，世界上最敏感的，定向的，暗物质探测器。相对于我们以前的工作进行了一些改进，包括更低的检测阈值，更强大的分析和我们的伽马抑制因子的十倍改进。经过分析，在我们的基准区域中没有事件残留，从而导致自旋相关的WIMP-质子相互作用的排斥曲线在100 GeV/c^2处达到0.28 pb，比我们以前的工作提高了四倍。我们还提出了一个45.4天的无屏蔽运行的DRIFT-IId探测器，在此期间观察到14个核反冲样事件的结果。我们证明，所观察到的核反冲率为0.31+/-0.08事件，每天是一致的检测环境，快速中子从墙壁的博尔比地下科学设施。
2017-03-27 astro-ph.IM physics.ins-det
The DRIFT Directional Dark Matter Detector and First Studies of the Head-Tail Effect
弹性核反冲轨道的方向和电离电荷分布沿它的测量，给出了明确的暗物质WIMP粒子的检测独特的可能性。在当前的辐射检测技术中，只有填充有低压气体的时间投影室能够进行这种测量。由于气体中低能核反冲的电子阻止本领和核阻止本领的特性，可以预期沿其径迹的电离电荷分布不对称。这种效应的初步研究，称为头-尾，已在这里进行了使用SRIM模拟程序的碳和硫在40托二硫化碳，相关的漂移检测器。调查的重点是在10和400千电子伏之间的能量范围内的运动的初始方向的轴上投影的离子轨道。结果表明，可能存在的不对称性的影响，两个竞争的效果：性质的阻止能力和范围离散。前者往往导致尾大于头，后者则相反。已经发现，对于投影轨迹，电离电荷的平均位置从“头”流向“尾”，其大小取决于离子类型及其能量。
2007-11-22 physics.ins-det
Radon in the DRIFT-II directional dark matter TPC: emanation, detection and mitigation
从材料中放射出的氡气在环境科学中很受关注，也是稀有事件非加速器粒子物理实验（如暗物质和双β衰变搜索）中的主要关注点，在这些实验中，氡气是背景的主要来源。在暗物质实验中值得注意的是氡子体反冲（RPR）的产生，氡子体同位素的低能（~100 keV）反冲，可以模拟WIMP相互作用的预期信号。这里介绍的是在1米立方体DRIFT-II定向暗物质气体时间投影室实验中对探测器材料氡射气的测量结果。建造和操作的氡射气设施，这项工作的描述，随着分析，以持续监测DRIFT数据的存在，内部222 Rn和218 Po。应用这种分析历史漂移数据，我们展示了如何系统的替代品，选择该设备的低氡放射性的探测器材料的替代品，导致了一个因素的内部氡率减少~10。水平被认为是一致的总和从单独的氡射气测量的内部材料，也与直接测量使用一个附加的阿尔法光谱仪。DRIFT-IId探测器对222 Rn的灵敏度为2.5 μBq/l，具有很高的分析效率，有望成为材料灵敏测氡的新工具。
2014-08-25 astro-ph.CO hep-ex physics.ins-det
Readout technologies for directional WIMP Dark Matter detection
测量WIMP引起的核反冲的方向是一个引人注目的，但技术上具有挑战性的战略，以提供一个明确的银河系暗物质的检测签名。大多数定向探测器的目标是重建暗物质引起的核反冲轨道，无论是在气体或固体目标。定向检测的主要挑战是需要大体积的高空间分辨率，这对读出技术提出了很高的要求。在本文中，我们回顾了各种探测器读出技术所使用的定向探测器。特别是，我们总结了每种方法的挑战，优点和缺点，并讨论了这些技术的未来前景。
2016-10-06 astro-ph.CO astro-ph.IM hep-ex
Deep learning for improved keV-scale recoil identification in high resolution gas time projection chambers
具有方向灵敏度的气体时间投影室（TPC）是暗物质（DM）研究的一个热点。能够重建3D核反冲方向的探测器将对预测的DM反冲的偶极角分布非常敏感，这将明确地建立所声称的DM信号的银河系起源，并提供对太阳中微子背景反冲的强大区分。然而，只有当伽马射线的电子反冲背景能够被充分抑制时，这些优点才能被利用。我们引入了一个基于深度学习的反冲事件分类器，它使用3D卷积神经网络（3DCNN）来识别基于反冲图像的事件种类。我们将3DCNN的电子背景抑制性能与传统的轨道长度判别式以及从最先进的浅层学习方法获得的判别式进行了比较。我们使用反冲电荷分布训练3DCNN分类器，其中电离能范围为0.5-10.5 $\rm keV_{ee}$，在$\rm He$：$\rm CF_4$：$\rm CHF_3$的80：10：10混合物中漂移25 cm。当确定轨道长度和浅学习判别式时，电荷最初被分段到$(100\times 100\times 100)$ $\rmμm^3$仓中，但是对于3DCNN，利用约$(850\times 850\times 850)$ $\rmμm^3$的减少的分段来重新分仓。尽管courser binning相比，使用轨道长度，我们发现，分类事件与3DCNN减少电子背景的一个因素高达1,000，并有效地降低了我们的模拟TPC的能量阈值$30\%$的氟反冲和$50\%$的氦反冲。我们还发现，与浅层…
2022-06-22 physics.ins-det
Velocity Dependent Dark Matter Interactions in Single-Electron Resolution Semiconductor Detectors with Directional Sensitivity
我们研究了暗物质与普通物质相互作用的速度和反冲动量依赖性。特别是我们专注于单电子分辨率的半导体探测器，它允许亚GeV的暗物质质量的实验评估。我们发现，在一个特定的质量范围内，取决于探测器材料，暗物质相互作用的结果，在一个信号的特点是每天调制。此外，我们发现这种调制的详细结构是敏感的速度和动量依赖的暗物质相互作用。我们确定了这些影响的患病率的最佳质量范围。
2019-03-20 hep-ph physics.ins-det
