DARWIN：用稀有液体进行暗物质WIMP研究

液态氩中弱相互作用粒子的研究

Search for WIMPs in liquid argon

我们来自苏黎世大学的团队正在进行大型液氩探测器的设计研发工作，以检测弱相互作用大质量粒子（WIMP）。该项目是由ASPERA资助的DARWIN协作开发的，旨在为使用惰性液体的下一代WIMP搜索准备提案。我们正在进行研究与开发，以检测来自反冲氩核的真空紫外光。用一吨液态氩（ArDM原型）和前景使用单能中子源获得的结果进行了讨论。

WIMP暗物质直接搜寻研究概况

A Brief Status of the Direct Search for WIMP Dark Matter

最近，在2014年2月，我们在加州大学洛杉矶分校举行了一次关于寻找暗物质的综合会议。190名科学家参加了会议，其中许多是WIMP暗物质搜索领域的领导者。我们首先回顾了LUX的数据，排除了低质量WIMP区域，并稍微降低了XENON100的限制。我们提供了一个简短的审查与声称的低质量信号的问题。我们讨论了目前的期望超对称弱相互作用暗物质，并显示为什么非常大的探测器，如达尔文可能需要。我们讨论了会议上的一些理论预测。

DARWIN：迈向终极暗物质探测器

DARWIN: towards the ultimate dark matter detector

DARK物质WImp搜索与液体氙（DARWIN）将是一个实验，直接检测暗物质使用多吨液体氙时间投影室在其核心。它的主要目标将是探索实验可访问的参数空间弱相互作用大质量粒子（WIMPs）在一个广泛的质量范围内，直到中微子与目标的相互作用成为一个不可约的背景。利用真空紫外灵敏的超低本底光电传感器，可以观测到氙中粒子相互作用引起的瞬时闪烁光和电荷信号。除了对质量超过5 GeV/c2的WIMP具有出色的灵敏度外，这种具有大质量，低能量阈值和超低背景水平的探测器还将对其他稀有相互作用敏感。它将搜寻太阳轴子、银河系类轴子粒子和136-中微子的无中微子双β衰变，并以<1%的精度测量低能太阳中微子通量，观测相干中微子-核相互作用，并探测银河系超新星。我们提出了达尔文探测器的概念，并讨论了它的物理范围，背景的主要来源和正在进行的探测器设计和研发工作。

用惰性液体探测器寻找暗物质的最新结果

Recent results in the search for dark matter with noble liquid detectors

暗物质直接探测领域近年来在涉及液态稀有气体，特别是液态氩和液态氙的实验中做出了重要贡献。这些检测介质提供了许多被认为在这项研究中有用的特性，包括快速闪烁响应，电荷读出，3-D位置重建和核反冲歧视。稀有液体的快速出现和主导地位的部分原因是这些技术很容易扩展到几乎任意的尺寸和质量。然而，最近的结果的物理影响已经质疑我们对这些检测介质的低能量响应的理解，鉴于DAMA/LIBRA和CoGeNT实验中观察到的可能的低质量WIMP信号的明显矛盾。我讨论最近的结果，并检查这种不一致的细节。

一种新的双相液相色谱法搜索WIMP的分析方法

A New Analysis Method for WIMP searches with Dual-Phase Liquid Xe TPCs

提出了一种新的基于物理观测量的WIMP暗物质研究数据分析方法。传统上，来自液体靶中散射的核反冲能量已经通过在相互作用顶点处产生的初始瞬发闪烁光（S1）来估计。电离电荷（C2）或其二次闪烁（S2）与Log（S2/S1）与S1中的一次闪烁相结合，仅作为电子反冲背景的鉴别参数。支持C2作为更可靠的核反冲能估计比S1的参数。Log（S1/C2）vs.C2的新相空间被引入作为对于核反冲接受更有效的相空间，并且表现出优越的能量分辨率。这是在不损害LIGHTTPC的鉴别能力，也不损害其3D事件重建和基准化能力的情况下实现的，就像只利用电离通道的分析一样。最后，提出了两个独立的能量估计器的概念，用于背景抑制：E2作为主要的（基于C2）和E1作为次要的（基于S1）。Log（E1/E2）与E2的关系被证明是评估WIMP信号候选者的最合适的相空间。

无方向性直接暗物质研究进展

Review on non-directional direct dark matter searches

综述了非定向直接检测方法。目前领先的实验自旋无关的WIMP相互作用是使用两个量的同时测量的低温测辐射热计和惰性气体，如氙事件的背景歧视。除此之外，还开发了几种有趣的技术，每种技术都具有特定的优点，例如能量阈值降低或对电离辐射背景的强免疫力。所使用的技术和最新的结果自旋相关和自旋无关的情况下。

增强NEST模拟液态氙中低能粒子的能力

Enhancement of NEST Capabilities for Simulating Low-Energy Recoils in Liquid Xenon

贵元素模拟技术（NEST）是一个详尽的模型集合，解释了贵元素的闪烁光和电离产额作为粒子类型（核反冲、电子反冲、α）、电场和入射能量或能量损失dE/dx的函数。它被打包为Geant 4的C++代码，实现了上述模型，覆盖了默认模型，该模型没有考虑某些复杂性，例如与电子反冲（ER）相比，核反冲（NR）的产量减少。我们在这里提出了改进现有的NEST模型和更新的代码，使包更现实，并把它变成一个更成熟的蒙特卡罗模拟。在得出当前模型时，已考虑了迄今为止NR和ER上所有可用的液体氙数据。此外，NEST解决了核反冲的光和电荷产额的大小，包括它们的电场依赖性的问题，从而揭示了液体氙探测器检测或排除低质量暗物质WIMP的可能性。

A Review of Basic Energy Reconstruction Techniques in Liquid Xenon and Argon Detectors for Dark Matter and Neutrino Physics Using NEST

Detectors based upon the noble elements, especially liquid xenon as well as liquid argon, as both single- and dual-phase types, require reconstruction of the energies of interacting particles, both in the field of direct detection of dark matter (Weakly Interacting Massive Particles or WIMPs, axions, etc.) and in neutrino physics. Experimentalists, as well as theorists who reanalyze/reinterpret experimental data, have used a few different techniques over the past few decades. In this paper, we review techniques based on solely the primary scintillation channel, the ionization or secondary chan…

在LSM进行的NEWS-G直接暗物质搜索实验的第一批结果

First results from the NEWS-G direct dark matter search experiment at the LSM

球-气体新实验（NEWS-G）是一个直接的暗物质探测实验，使用球形正比计数器（SPC）和轻惰性气体来寻找低质量的弱相互作用大质量粒子（WIMP）。我们报告了使用SEDINE（直径60 cm的原型SPC，在3.1 bar下使用$\mathrm{Ne}+\mathrm{CH}_{4}$（0.7%）的混合物进行操作，总暴露量为$9.7\;\mathrm{kg\cdot days}$）在Modane南部露天矿（LSM）进行的第一次物理运行的结果。在亚$\mathrm{GeV/c^2}$质量区对自旋无关的WIMP-核子散射截面设置了新的约束。我们在90%置信水平（C.L.）下排除了高于$4.4 \times \mathrm{10^{-37}\;cm^2}$的横截面。0.5 $\mathrm{GeV/c^2}$ WIMP。使用SEDINE获得的具有竞争力的结果对于NEWS-G实验的下一阶段是有希望的：一个直径为140 cm的SPC将于2018年夏天安装在SNOLAB。

MiniCLEAN暗物质实验的最新进展

Update on the MiniCLEAN Dark Matter Experiment

对暗物质的直接搜索正进入一个对假设的弱相互作用大质量粒子（WIMP）敏感度增加的时期。正在研究的一项此类技术是仅闪烁的惰性液体实验，MiniCLEAN。MiniCLEAN利用超过500公斤的液态冷冻剂探测来自WIMP暗物质的核反冲，并作为未来50至100吨级探测器的示范。液态制冷剂可在氩和氖之间互换，以研究电位信号的A $^{2}$依赖性并检查背景。MiniCLEAN采用独特的球形几何模块化设计，在单相检测器中使用冷光电倍增管来最大限度地提高光输出。脉冲形状鉴别技术用于从电子反冲背景中分离核反冲信号。MiniCLEAN将加入额外的$^{39}$ Ar，以证明脉冲形状辨别能力的有效范围。该实验的组装正在SNOLAB进行，并提供了该项目的最新情况。

用于暗物质探测的双相液体氙探测器

Dual-Phase Liquid Xenon Detectors for Dark Matter Searches

填充液态惰性气体氙的双相时间投影室是目前在实验室条件下研究WIMP暗物质相互作用的最灵敏的探测器。这是通过结合一个大的，单片暗物质目标的一个非常低的背景与能力，本地化的相互作用顶点在三维空间，允许目标基准化和多重散射拒绝。通过同时测量来自粒子相互作用的闪烁和电离信号，进一步降低了双相LPETTPC中的背景，这用于区分信号和背景特征。本文综述了双相液相色谱法的原理，并提供了有关运行以及未来的实验工作的概述。

Y-88/Be光中子刻度源在暗物质和中微子实验中的应用

Applications of an Y-88/Be photo-neutron calibration source to Dark Matter and Neutrino Experiments

从Y-88/Be源的低能单色中子发射可以用来模拟低质量弱相互作用大质量粒子（WIMPs）和中微子相干散射的几个keVnr核反冲。使用该源，在NaI [Tl]中，对于低于24 keVnr的钠反冲，测量到~<10%的淬灭因子。这比在解释DAMA/LIBRA暗物质实验时通常采用的30%要小得多，导致在标准的唯象假设下，它与其他搜索的张力显着增加。该方法被示出为其他目标材料（过热和稀有液体）。

光电倍增管在液氩温度下工作的演示和比较

Demonstration and Comparison of Operation of Photomultiplier Tubes at Liquid Argon Temperature

液化惰性气体被广泛用作直接暗物质搜索的目标。液体中闪烁的信号，在由暗物质粒子（例如WIMP）散射的反冲核的能量沉积之后，应该由适当设计成在低温下操作的光电传感器记录到非常低的能量。用于暗物质搜索的基于液态氩的探测器目前实现用于信号读出的光电倍增管。在过去的几年中，光电倍增管的光电阴极工作到液态氩温度（87 K）已经专门开发了增加量子效率特性。其中最新的Hamamatsu Photonics Mod. R11065峰值QE高达约35%，已在WArP协作的研发计划中进行了广泛测试。在这些测试中，滨松光电倍增管表现出卓越的性能，并允许在具有12%范围内的光电阴极覆盖率的液氩检测器中获得约7 phel/keVee的光产额，足以检测低至几keVee的能量沉积的事件。这表明，这种新型的PMT适合于实验应用，特别是新的直接暗物质搜索与基于LAr的实验。