Application of recoil-imaging time projection chambers to directional neutron background measurements in the SuperKEKB accelerator tunnel
气体时间投影室（TPC）具有高读出分割，能够重建详细的三维电离分布的核反冲产生的弹性中子散射。使用一个系统的6个紧凑的TPC与像素ASIC读出，充满了70：30的混合物的He：CO $_2$气体，我们分析了第一方向测量的Beam诱导中子背景的隧道区域周围的美女II探测器在SuperKEKB $e^+e^-$对撞机。使用三维反冲跟踪，我们表明，这些TPC能够保持近$100\%$核反冲纯度重建电离能（$E_\text{reco}$）低至5 $\mathrm{keV_\text{ee}}$。使用大样本的模拟$^4$他，$^{12}$ C，和$^{16}$ O反冲轨道，我们发现预测和测量的反冲能谱之间的一致性，在六个TPC中的五个，模拟中子生产机制建模提供了有用的验证。限制这个样本的$^4$他反冲轨道与$E_\text{reco}>40$ $\mathrm{keV_\text{ee}}$，我们证明了轴向角分辨率内$8^{\circ}$，我们介绍了一个程序，在适当的条件下，正确分配矢量方向$91\%$的模拟$^4$他反冲。应用此程序为测量的$^4$ He反冲轨道分配矢量方向，我们观察到观察到的反冲和模拟反冲的角分布之间的一致性，提供了加速器隧道中局部中子“热点”的第一个实验证据。观察到的核反冲率在这些TPC表明，模拟高估了这些热点的中子通量。
2022-07-14 hep-ex physics.ins-det
Low-threshold response of a scintillating xenon bubble chamber to nuclear and electronic recoils
本文展示了闪烁氙气泡室在低至0.50 keV热力学阈值下对约1 keV核反冲的灵敏度，同时保持对γ射线成核不敏感，并给出了核反冲成核响应的标定及γ射线诱发俄歇级联成核概率的严格上限。
2025-02-13 hep-ex nucl-ex physics.ins-det
Performance of a Chamber for Studying the Liquid Xenon Response to Nuclear Recoils
本文介绍了一个装有7个2英寸光电倍增管的1.2升液体氙室的设计和性能，其目的是研究氙对γ射线和中子的闪烁响应。用伽马射线的测量表明高的VUV光收集效率导致每IkeV的沉积能量约5.5个光电子。能量分辨率（FWHM）为18%和22%，分别为122 keV和511 keV的伽马射线。提出了一种重建（x，y）平面闪烁坐标的算法，并进行了实验验证。位置分辨率估计为6.9毫米（西格玛）为122千电子伏的伽马射线。
2005-01-14 astro-ph physics.ins-det physics.space-ph
Model for bubble nucleation efficiency of low-energy nuclear recoils in bubble chambers for dark matter detection
本文提出结合分子动力学、蒙特卡罗模拟与Lindhard模型的物理模型，预测泡室中低能核反冲的气泡成核效率，改进Seitz模型，并应用于暗物质探测实验的截面限制分析。
2024-07-16 cond-mat.stat-mech hep-ex hep-ph
Primary track recovery in high-definition gas time projection chambers
我们开发并验证了一种新的算法，称为\textit{primary track recovery}（\ptr），有效地去卷积已知的物理和探测器的影响，从气体时间投影室（TPC）的核反冲轨道与高分辨率读出。这提供了对主要磁道电荷、长度和矢量方向的访问（有助于解决“头尾”模糊性）。此外，\ptr提供了横向和纵向扩散宽度的测量，可用于确定漂移方向上径迹的绝对位置，以实现探测器基准化。使用模拟氦反冲在一个大气压TPC与70：30的混合物，他：CO $_2$我们比较性能的\ptr传统的方法为所有关键的轨道变量。我们发现，该算法减少了重建误差，包括所造成的电荷积分，平均长宽比为1.4及以上的轨道，对应于反冲能量的$20$千电子伏及以上的研究TPC。我们表明，\ptr改进现有的方法，头，尾消歧，特别是对于高度倾斜的轨道，并提高了通过横向扩散的漂移轴上的反冲的绝对位置的确定。发现\ptr能部分恢复探测器在$z$方向积分出的电荷结构，但其能量和长度的确定与现有方法相比分辨率较差。我们使用实验数据来定性地验证这些发现，并讨论在低能量前沿的未来定向探测器的影响。
2022-04-11 physics.ins-det
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
Data-Driven Modeling of Electron Recoil Nucleation in PICO C$_3$F$_8$ Bubble Chambers
适度过热的泡室探测器的主要优点是它们同时对来自WIMP暗物质的核反冲敏感，而对电子反冲背景不敏感。PICO伽马校准数据的全面分析表明，第一次，电子反冲在C $_3$ F $_8$规模根据一个新的成核机制，而不是一个驱动的热尖峰如先前所假设的。使用该半经验模型，泡室成核阈值可以被调整为对较低能量的核反冲敏感，同时保持优异的电子反冲排斥。PICO-40 L探测器将利用该模型实现低至2.8 keV的热力学阈值，同时由太阳中微子的相干弹性中微子-核散射的单散射事件主导。在一年的运行中，PICO-40 L可以将PICO对自旋相关的WIMP-质子耦合的现有领先限制提高近一个数量级，使WIMP质量大于3 GeV c $^{-2}$，并将有能力超过所有现有的非氙约束的自旋无关的WIMP-核子耦合的WIMP质量从3到40 GeV c $^{-2}$。
2020-11-25 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
First Demonstration of a Scintillating Xenon Bubble Chamber for Detecting Dark Matter and Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering
2016年6月和11月在西北大学运行的30 g氙气泡室首次观察到过热液体中核反冲引起的同时气泡成核和闪烁。该室装有用于近红外气泡成像的CCD相机、用于检测175 nm氙闪烁光的日盲光电倍增管和用于检测来自生长气泡的超声发射的压电声换能器。从声学信号确定的成核时间用于将特定闪烁脉冲与气泡成核事件相关联。我们报告的数据从这个腔室的热力学“塞茨”阈值从4.2至15.0千电子伏。当暴露于$^{252}$ Cf中子源时，观察到的单个和多个气泡速率表明，对于8.3 keV的热力学阈值，使气泡成核所需的最小核反冲能量为$19\pm6$ keV（1 $σ$不确定度）。这与观察到的气泡成核事件的闪烁光谱一致。我们没有看到伽马射线在任何研究阈值下气泡成核的证据，设定了90%的C. L。在4.2 keV热力学阈值下，每个伽马相互作用的$6.3\times10^{-7}$气泡的上限。这表明比CF $_3$ I泡室中更强的伽马辨别力，支持闪烁产生抑制电子反冲的泡成核而核反冲照常成核泡的假设。这些测量建立了贵液泡室作为一个有前途的新技术，用于检测弱相互作用的大质量粒子暗物质和相干弹性中微子核散射。
2017-06-08 astro-ph.CO hep-ex physics.ins-det
Calibration Plan for the SBC 10-kg Liquid Argon Detector with 100 eV Target Threshold
University of Alberta（阿尔伯塔大学）；University of California Riverside（加州大学河滨分校）；University of California Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）；Drexel University（德雷塞尔大学）；Fermi National Accelerator Laboratory（费米国家加速器实验室）；Indiana University South Bend（南本德印第安纳大学）；Northeastern Illinois University（伊利诺伊东北大学）；Northwestern University（西北大学）；Queen's University（女王大学）；SNOLAB（斯诺实验室）
SBC 10公斤液氩探测器通过核汤姆逊散射和热中子捕获技术实现100eV目标阈值的校准，用于暗物质和中微子实验。
2025-12-05 hep-ex nucl-ex 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
Direct Measurement of the Bubble Nucleation Energy Threshold in a CF3I Bubble Chamber
我们已经直接测量的能量阈值和效率的气泡成核碘反冲在CF 3 I泡室中的能量范围内的兴趣的暗物质搜索。这些相互作用不能探测标准的中子校准方法，所以我们开发了一种新的技术，通过观察12 GeV/c的负π介子的弹性散射。用硅像素望远镜跟踪π介子，重建的散射角提供了核反冲动能的测量。泡室以（13.6 ± 0.6）keV的标称阈值操作。结果的解释取决于对氟和碳反冲的响应，但在一般情况下，我们发现与经典气泡成核理论的预测一致。这种测量证实了CF 3 I作为自旋无关的暗物质相互作用的目标的适用性，并代表了一种新的过热流体探测器的校准技术。
2014-01-31 astro-ph.CO hep-ex physics.ins-det
Sensitivity of the PICO-500 Bubble Chamber to Supernova Neutrinos Through Coherent Nuclear Elastic Scattering
吨级的直接暗物质搜索实验应该对来自$^8$ B太阳中微子或来自银河系核心坍缩超新星的短暂但强烈的通量的中微子诱导反冲事件敏感。这些低阈值探测器是非常低的反冲能量，为10千电子伏，通过超新星中微子和目标核之间的相干弹性散射沉积敏感。大型过热流体探测器，如PICO-500，一个泡室，最初填充有1吨C $_3$ F $_8$的活性靶，应该看到来自CE $ν$ NS的多泡事件，如果探测器在距离高达10 kpc的超新星中微子爆发期间是活的。本文讨论的条件下，泡室可以作为一个独立的测量在超新星类似SN 1987 A的事件中，目前较少约束的重轻子$ν_x$通道的特殊敏感性。
2018-11-05 astro-ph.HE astro-ph.IM astro-ph.SR
Discrimination of electronic recoils from nuclear recoils in two-phase xenon time projection chambers
我们提出了一个全面的分析电子反冲与核反冲歧视液/气氙时间投影室，使用校准数据从2013年和2014-16年运行的大型地下氙（LUX）实验。我们观察到强烈的电荷到光的歧视增强事件的能量增加。对于S1 = 120个探测光子的事件，即相当于$\sim$ 100 keV的核反冲能量，我们观察到$<10^{-5}$的电子反冲背景接受度为50%的核反冲信号接受度。我们还观察到适度的电场依赖性的歧视权力，其峰值在300 V/cm左右的领域在本研究中探索的范围内（50-500 V/cm）。在S_1 = 1-80 phd的WIMP搜索区域内，我们观测到的最小电子反冲泄漏为${(7.3\pm0.6)\times10^{-4}}$，这是在240-290 V/cm的漂移场下得到的。脉冲形状歧视是用来改善我们的结果，我们发现，在低能量和低场，有一个额外的减少背景泄漏的一个因素高达3。我们开发了一个经验模型的重组波动，当使用旁边的贵元素闪烁技术（NEST）的模拟包，正确地再现了电子反冲数据的偏斜。我们使用这个更新的模拟来研究电子反冲带的宽度，发现其主要贡献来自电子-离子复合波动，其次是S1信号波动，S2信号波动和给定能量沉积产生的量子总数波动的贡献大小。
2020-12-09 hep-ex nucl-ex physics.ins-det
Modeling emission of acoustic energy during bubble expansion in PICO bubble chambers
PICO实验使用充满过热C $_3$ F $_8$的泡室，用于自旋相关WIMP暗物质搜索。这些探测器中背景的主要来源之一是来自环境$^{222}\mathrm{Rn}$衰变的α粒子，这些粒子使气泡成核，这些气泡在视觉上与WIMP候选事件无法区分。α诱导的气泡可以通过声学来区分，因为来自α事件的信号在幅度上始终大于来自核反冲/WIMP样事件的信号。通过研究这两种类型的电离辐射成核的气泡从其生长的第一阶段的动力学，我们提出了一个物理模型的声学歧视的第一次。我们产生的模拟样品的气泡成核的α粒子和核反冲的声能分布进行了比较，直接的实验数据。
2019-09-08 physics.comp-ph physics.ins-det
Xenon Bubble Chambers for Direct Dark Matter Detection
寻找暗物质是当今最令人兴奋的领域之一。随着更大的探测器被建造以提高其灵敏度，背景减少是一个更具挑战性的问题。为此，提出了一种新型的暗物质探测器，氙泡室，其将液体氙TPC的强度（即逐事件能量分辨率）与泡室的强度（即对电子反冲不敏感）相结合。此外，这将是有史以来第一次暗物质探测器在所有三个探测通道上都是活跃的，氙探测器的电离和闪烁特性，以及过热流体中气泡形成的热量。初步模拟表明，根据阈值，可以实现99.99%到99.9999+ %的区分度，这与目前的许多实验相当或更好。纽约州立大学奥尔巴尼分校正在建造一个原型。原型目前正在进行密封，热和压缩测试。
2016-01-19 astro-ph.IM physics.ins-det
Directional Fast Neutron Detection Using a Time Projection Chamber
利用氢气时间投影室测量反冲质子的三维轨迹和比电离，提供了入射快中子的方向信息。在这里，我们展示了定向快中子探测使用这样的设备。获得的宽视场和出色的伽马抑制表明，该设备非常适合于搜索特殊核材料等应用。
2010-10-07 physics.ins-det
A buffer-free concept bubble chamber for PICO dark matter searches
在本文中，我们报告的成功运作在德雷克塞尔大学的PICO合作的第一个C $_3$ F $_8$无缓冲原型氟碳化合物泡室。之前的PICO泡室使用氟碳靶流体产生了世界领先的WIMP搜索结果，通过水缓冲层与钢波纹管隔开。罐壁和液-液界面处的表面张力效应导致一类具有核反冲样声学特征的背景事件，从而污染分析中的WIMP样信号区域。因此，新的泡室将被构造为“正面朝上”，这意味着C $_3$ F $_8$的罐在波纹管上方，内部容器内没有水。Drexel泡室（DBC）在PICO用于WIMP搜索的核反冲阈值及以下成功运行，包括低至1.19 keV的阈值。我们已经证明了对$^{137}$ Cs γ和来自$^{244}$ Cm的自发裂变中子的敏感性，并且尽管所观察到的α衰变率非常低，但声学α辨别被证明是可能的。来自立体成像的位置重建允许用于校准数据的基本分析切割。该原型的成功建造和运行证实了右侧向上设计的有效性，该设计将用于未来的暗物质搜索，如PICO-40 L和PICO-500。
2019-07-28 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
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
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
Dark Matter Search Results from the PICO-2L C$_3$F$_8$ Bubble Chamber
新的数据报告的操作2升的C $_3$ F $_8$泡室在2100米深的SNOLAB地下实验室，总曝光量为211.5千克-天，在四个不同的反冲能量阈值范围从3.2 keV到8.1 keV。这些数据表明，C3 F8在非常低的阈值下提供了优异的电子反冲和α排斥能力，包括首次观察到声学信号对α能量的依赖性。在运行期间观察到12个单个核反冲事件候选者。候选事件表现出的时间特征与均匀时间分布的假设不一致，并且没有证据表明存在暗物质信号。这些数据提供了迄今为止最灵敏的直接检测约束WIMP质子自旋相关散射，在低WIMP质量自旋无关的WIMP核子散射显着的灵敏度。
2015-06-29 astro-ph.CO physics.ins-det
The ArDM Liquid Argon Time Projection Chamber at the Canfranc Underground Laboratory: a ton-scale detector for Dark Matter Searches
氩暗物质（ArDM）实验由一个液态氩（LAr）时间投影室（TPC）组成，对假设的弱相互作用大质量粒子（WIMP）在氩靶上散射产生的核反冲敏感。ArDM的活动目标为850公斤，是LAr探索暗物质的重要里程碑。我们目前的实验装置安装在地下的Submartorio Submarteo德Canfranc（LSC），西班牙。我们展示了2015年单相调试运行（ArDM运行I）期间记录的第一批数据，这些数据总体上证实了吨级LAr探测器的良好和稳定性能。
2016-12-19 astro-ph.IM hep-ex 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
A direct test of Auger cascade induced nucleation from heavy element contamination in C$_3$F$_8$ bubble chambers
了解和量化清洁核反冲探测泡室中的γ诱导泡核化背景对基于泡室的暗物质研究至关重要。我们目前的数据证实的假设，大俄歇级联高Z元素，如碘和氙显着增加的C $_3$ F $_8$泡室的伽马射线的响应。这些测试是用一个充满C $_3$ F $_8$ + $\mathcal{O}$（10）ppm氙的小型校准气泡室进行的，表明气泡成核的概率与氙内壳层空位的速率成比例，对于未来在泡室中搜索暗物质所感兴趣的塞茨阈值，达到每个K壳层空位> $10\%$的值。我们还将氩俄歇事件的气泡成核概率的上限，相关的大未来泡室，其中可能包含一些残留的大气氩后，活跃的流体填充。
2022-02-04 physics.ins-det
Measurement of the scintillation efficiency for nuclear recoils in liquid argon under electric fields up to 3 kV/cm
本文报道了用液氩时间投影室测量几十keV核反冲在电场范围从$0$到$3\ {\rm kV/cm}$的闪烁效率。用$^{252}{\rm Cf}$放射源进行标定。观测到的闪烁和电致发光光谱同时与来自基于Geant 4的蒙特卡罗模拟和NR模型的光谱拟合。从拟合中提取的闪烁效率报告为反冲能量和电场的函数。这一结果可用于探测器的设计和探测WIMP暗物质引起的闪烁和电离信号的实验数据的解释。
2019-08-07 hep-ex physics.ins-det
Proposed low-energy absolute calibration of nuclear recoils in a dual-phase noble element TPC using D-D neutron scattering kinematics
本文提出了一种新的用于标定大型贵元素双相时间投影室中的核反冲的方法，该方法用于在本地星系晕中寻找WIMP暗物质。该技术使用检测器体积内的多个中子相互作用之间的测量散射角来提供目标介质的低能核反冲响应的$\textit{in situ}$测量。这种校准的低能量范围和简化的系统学对于几个领先的暗物质实验的低质量WIMP灵敏度具有特别的意义。讨论了改进这种校准技术的多种策略，包括创建一种新型的准单能272 keV中子源。我们报告的结果，从飞行时间为基础的测量产生的一个阿德尔菲技术公司的中子能谱。DD108中子发生器，确认其适用于拟议的核反冲校准。
2016-08-18 astro-ph.IM hep-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
Optical transmittance measurements of sheet resistors for the $\rm {CF}_4$ scintillating light in a gaseous time-projection chamber
本文介绍了一种可重构$z$坐标的气体时间投影室（TPC），用于低放射性背景下的暗物质探测和$α$粒子成像。如果薄层电阻器具有对可见光的光学透射率，则具有薄层电阻器场笼的TPC显示出检测由轨道产生的电荷和光子的潜力，并且从这些信号之间的时间差确定漂移长度。在该研究中，对于使用$α$ -粒子源的$\rm {CF}_4$气体净化光，薄层电阻器的光学透射率被测量为$24.5\pm0.1_{\rm stat}\pm0.6_{\rm syst}\%$。当$\rm CF_4$气体中存在薄层电阻时，对于5.3 MeV的$α$，观察到光电子数为$\rm\sim20~p.e.$.然后，讨论了在近红外线下，使用多碱阴极光电管和SiPM探测器探测低能径迹时，需要观测到多少光电子。
2022-02-18 astro-ph.IM hep-ex physics.ins-det
Compact, directional neutron detectors capable of high-resolution nuclear recoil imaging
我们报告的设计，生产和性能紧凑的40厘米$^3$时间投影室（TPC），检测快中子的三维（3D）测量的电离分布的核反冲$^4$他：CO $_2$气体在大气压下。我们使用这些探测器来表征在日本筑波的SuperKEKB正负电子对撞机的Belle II探测器内的快中子通量，其中主要的设计约束是一个小的形状因子。我们发现，TPC满足或超过所有的设计规格，并能够测量的三维表面形状和电荷密度分布的电离云从核反冲和带电轨道在精致的细节。基于这里所展示的探测原理的按比例放大的探测器可能适用于定向暗物质搜索、相干中微子-核散射的测量以及其他需要精确探测中子或核反冲的实验。
2019-05-06 hep-ex 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
Simulation results for a low energy nuclear recoil yields measurement in liquid xenon using the MiX detector
测量液体氙对超低能核反冲事件的闪烁和电离产额对于提高液体氙实验对轻暗物质的灵敏度是必要的。氙上的中子俘获可用于在核去激发期间经由$γ$射线的不对称发射产生能量低于$0.3$ keV $_\text{NR}$的核反冲事件。研究了密歇根氙（MiX）探测器利用中子俘获进行超低能核反冲测量的可行性，MiX探测器是一种小型双相氙时间投影室，经过优化可获得高闪烁增益。模拟的混合X探测器，部分中子慢化剂，和脉冲中子发生器表明，人口的中子俘获事件可以从中子散射事件隔离。此外，通过改变部分中子慢化剂的厚度、中子脉冲宽度和中子脉冲频率来优化MiX探测器中的中子捕获率。
2022-11-07 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
Application of Time Projection Chambers with GEMs and Pixels to WIMP Searches and Fast Neutron Detection
本文介绍了在充气时间投影室中利用核反冲探测中性粒子的工作。我们采用气体电子倍增器（GEM）来放大信号和硅像素电子检测雪崩电荷。这些技术允许以低噪声、改进的位置和时间分辨率以及高效率来检测目标气体中的电离。我们回顾了前几年获得的实验结果，并报告正在进行的模拟研究和建设的第一个原型在夏威夷大学。我们还提出了使用这样的探测器进行方向敏感的搜索的WIMP暗物质和快中子从裂变材料的前景。
2012-06-11 hep-ex physics.ins-det
3D-Deuteron Track Recoils Produced by Neutron Capture in Hydrogen Measured by MIMAC-35 cm
LPSC, Université Grenoble Alpes, CNRS/IN2P3（格勒诺布尔阿尔卑斯大学粒子物理与核物理实验室）；Centre de Physique des Particules de Marseille, IN2P3/CNRS and Université Aix-Marseille（马赛粒子物理中心）
利用MIMAC-35 cm探测器测量氢中中子捕获产生的氘轨迹，通过三维轨迹和电离能量区分核 recoil 与电子 recoil 背景，发现1.3 keV氘轨迹。
2026-04-03 nucl-ex physics.ins-det
Dark Matter Search Results from the PICO-60 C$_3$F$_8$ Bubble Chamber
PICO-60暗物质探测器，一个泡室充满了52公斤的C $_3$ F $_8$位于SNOLAB地下实验室的操作报告的新结果。与以前的PICO气泡室一样，PICO-60 C $_3$ F $_8$具有出色的电子反冲和α衰变抑制能力，观察到的多次散射中子率表明每月的单次散射中子背景小于1次。在3.3千电子伏的热力学阈值下，对效率校正后的1167千克-天曝光量进行盲分析，发现没有单散射核反冲候选物，与预测的背景一致。这些结果设置了最严格的直接检测约束，迄今为止在3.4 $\times$ 10 $^{-41}$厘米$^2$的30 GeV的$\thinspace$ c $^{-2}$ WIMP，一个以上的数量级的改进，从以前的PICO结果的WIMP质子自旋相关的横截面。
2017-08-02 astro-ph.CO hep-ex physics.ins-det
Scintillation and Ionization Responses of Liquid Xenon to Low Energy Electronic and Nuclear Recoils at Drift Fields from 236 V/cm to 3.93 kV/cm
本文报道了在236 V/cm ~ 3.93 kV/cm的不同漂移场下，利用具有高能量和位置分辨率的三维灵敏液氙时间投影室，对低能电子（约3--7 keV $_{ee}$）和核反冲（约8--20 keV $_{nr}$）在液氙中的闪烁和电离产额的新测量结果。我们测量的信号响应核反冲同意从NEST模型的预测。然而，我们测量的电子反冲电离（闪烁）产额始终高于（低于）从NEST模型约5 e $^-$ /keV $_{ee}$（ph/keV $_{ee}$）在所有扫描的漂移场。新的复合参数的基础上的Mesquas-Imel盒模型来自我们的数据。由于以前缺乏对液态氙中低能电子反冲的闪烁和电离产额的精确测量，我们的新测量提供了迄今为止最好的可用数据，覆盖了与暗物质搜索相关的液态氙探测器在不同漂移场的低能区。
2015-07-14 hep-ex physics.ins-det
Energy dependence of W values for protons in hydrogen
对于能量范围在1 MeV和4.5 MeV之间的质子，获得了在分子氢中产生离子对所需的平均能量$W$。的W值来自现有的实验数据弹性{ \it $π^-$ p}散射在40 GeV的电子束能量。在实验中，电离室IKAR充氢压力为10伏，同时作为气体靶和反冲质子探测器。对于选定的事件的弹性散射，反冲质子产生的电离产率在IKAR测量，而确定的能量通过运动学的散射角的入射粒子测量系统的多丝正比室。由来自沉积在室电极上的$^{234}$ U的$α$源的$α$粒子产生的电离用于W值的绝对归一化。H $_2$中质子的$W$的能量依赖性表明，在所测量的能量范围内，随着能量的增加，$W$异常增加。在能量为4.76MeV时，α粒子的电离产额比质子的电离产额大2%。
2014-05-22 hep-ex nucl-ex physics.ins-det
Novel recoil nuclei detectors to qualify the AMANDE facility as a Standard for mono-energetic neutron fields
IRSN-Cadarache的AMANDE设施产生2 keV至20 MeV的单能中子场，质量为100%。作为一个标准的设施，中子场的特性，即注量分布必须是众所周知的装置，使用绝对测量。2006年开始开发能够直接测量中子能量和注量的新探测器系统。利用质子反冲望远镜原理，以提高效率为目标，研究了两个全定位系统。研究了一种用于高能测量的CMOS质子反冲望远镜（CMOS-RPT），其中氦4气体微时间投影室（microTPC He 4）将用于低能测量。这两个系统的模拟进行了运输蒙特卡罗代码MCNPX，选择组件和几何形状，以优化效率和检测限的两个设备或估计预期的性能。2008年实现的第一次初步测量证明了这些用于中子计量学的新型探测器的原理。
2008-12-01 physics.ins-det
Observation of the Dependence of Scintillation from Nuclear Recoils in Liquid Argon on Drift Field
我们用美国Notre Dame结构与核天体物理研究所生产的低能脉冲窄带中子束辐照双相液氩时间投影室（LAr-TPC），研究了LAr-TPC中反冲核的闪烁光产额。布置液体闪烁计数器以检测和识别LAr-TPC靶中散射的中子并选择反冲核的能量。本文报道了11 keV核反冲产生的液氩闪烁对漂移场的显著依赖性。这一观察结果很重要，因为迄今为止，对稀有液体TPC暗物质搜索灵敏度的估计是基于这样一个假设，即电场对核反冲的光产额只有很小的影响。
2013-12-16 hep-ex physics.ins-det
Calibrating the scintillation and ionization responses of xenon recoils for high-energy dark matter searches
基于液体氙的直接探测暗物质实验最近扩大了他们的搜索范围，包括高能量的核反冲事件的有效场论暗物质和非弹性暗物质相互作用模型的动机，但很少有氙反冲校准100千电子伏以上。在这项工作中，我们测量的闪烁和电离产额氙反冲高达426千电子伏。该实验使用14.1 MeV中子在紧凑的液体氙时间投影室中散射氙，并产生39 keV和426 keV之间的准单能氙反冲。我们报告的氙反冲响应和它们的电场依赖性反冲能量高达306 keV，由于低事件统计和相对温和的场依赖性，在较高的能量下的产额值被报告为平均值的氙响应电场之间的0.2-2.0 kV/cm。这一结果将使基于氙的暗物质实验，以显着增加其高能量暗物质的灵敏度，包括能源领域，以前无法访问，由于缺乏校准。
2022-10-28 hep-ex physics.ins-det
A new gas-based proton-recoil telescope for quasi-absolute neutron flux measurements between 0.2 and 2 MeV neutron energy
中子注量率的绝对测量是中子感生截面测量、中子束线表征和剂量学研究的必要前提。研制了一种基于质子反冲过程的气体中子探测器，用于测量0.2 ~ 2 MeV中子通量。该探测器由两个分段电离室组成，采用Micromegas技术，可提供准绝对中子通量测量，精度为\simeq 3%。气压的灵活性使望远镜对γ和电子背景不敏感，因此作为中子通量仪器比半导体材料更有优势。可调节的气体压力和H样品厚度，Micromegas技术的使用和跟踪能力允许在大动态范围内检测中子，低至200 keV，具有良好的散射中子事件和随机背景抑制
2019-01-18 nucl-ex physics.ins-det
MIMAC: MIcro-tpc MAtrix of Chambers for dark matter directional detection
非重子暗物质的定向探测是区分WIMP事件和中子的一种很有前途的搜索策略，中子是暗物质直接探测的最终背景。这种策略需要精确测量的能量下降到几个千电子伏和三维重建的轨道下降到几毫米。MIMAC（MIcro-tpc MAGNETIC的商会）合作在过去几年中开发了一个原始的原型探测器的基础上直接耦合的大型像素化micromegas与一个特殊的开发快速自触发电子显示的可行性，新一代的定向探测器。第一个双室原型已于2012年6月安装在Modane地下实验室。显示了第一个背景事件、增益稳定性和校准。第一个频谱的核反冲显示来自氡子体的三维轨道。
2013-11-04 astro-ph.CO physics.ins-det
A Radial Time Projection Chamber for $α$ detection in CLAS at JLab
杰斐逊实验室研制了一种新的径向时间投影室（RTPC），用于跟踪低能核反冲，以测量专用核反应，如相干深虚康普顿散射和相干介子产生的$^4$ He。在这样的过程中，$^4$ He核在最终状态下保持完整，但是CEBAF大型接受光谱仪（CLAS）无法跟踪低能$α$粒子。在2009年，我们进行了测量，使用CLAS光谱仪补充的RTPC定位直接围绕气态$^4$ He目标，允许检测阈值低至12 $\sim$ MeV的$^4$ He。本文讨论了该实时PC的设计、工作原理、校准方法和性能。
2018-01-30 hep-ex nucl-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
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
Snowmass 2021 Scintillating Bubble Chambers: Liquid-noble Bubble Chambers for Dark Matter and CE$ν$NS Detection
闪烁气泡室（SBC）协作组正在开发液体惰性泡室，用于低质量（GeV级）暗物质的准无背景探测和低能（MeV级）中微子的相干散射（CE $ν$ NS）。这项技术的第一个物理规模的演示器，一个10公斤的液氩气泡室被称为SBC-LAr 10，现在正在费米实验室调试。该装置将校准本底鉴别能力和过热氩对能量低至100 eV的核反冲的灵敏度。第二个功能相同的探测器，重点是放射纯建设正在建设的SBC的第一个暗物质搜索在SNOLAB。在1 GeV $/c^2$暗物质粒子质量下，该搜索的预计自旋无关灵敏度约为$10^{-43}$ cm $^2$。的可扩展性和背景的歧视权力的液体贵族气泡室使这项技术成为一个令人信服的候选人，为未来的暗物质搜索太阳中微子雾在1 GeV的$/c^2$粒子质量（需要$\sim$吨-年曝光与非中微子背景次主导的太阳CE $ν$ NS信号）和高统计CE $ν$ NS研究在核反应堆。
2022-09-29 astro-ph.IM hep-ex nucl-ex
The Time Response of Glass Resistive Plate Chambers to Heavily Ionizing Particles
HARP系统的电阻板室（RPC）的目的是执行颗粒识别的不同颗粒的飞行时间的差异的测量。在以前的论文中，RPC对最小电离π介子和重电离质子的响应之间存在明显的差异。利用氢靶弹性散射的运动学原理，将一束受控的低动量反冲质子射到电离室中。利用这种方法，可以精确地预测质子的轨迹和动量，从而可以精确地预测质子的飞行时间，而不需要测量质子的动量。结果表明，HARP实验的薄气隙玻璃RPC系统对粒子到达时间的测量依赖于粒子在探测器中沉积的初级电离。
2007-09-28 physics.ins-det
Three-dimensional recoil-electron reconstruction using combined optical imaging and waveform readout for electron-tracking Compton cameras
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), National Metrology Institute of Japan (NMIJ)（国家产业技术综合研究所（AIST），日本国家计量院（NMIJ））；Graduate School of Natural Science and Technology, Kanazawa University（金泽大学自然科学技术研究学院）；Institute for Cosmic Ray Research, University of Tokyo（东京大学宇宙线研究所）；Institute of Space and Astronautical Science, Japan Aerospace Exploration Agency（日本宇宙航空研究开发机构宇宙科学研究所）
本文提出结合光学图像和波形信号的深度学习方法，用于改进电子跟踪康普顿相机的三维反冲电子方向重建，实现约44度的角分辨能力，优于传统方法。
2026-09-07 astro-ph.IM hep-ex physics.ins-det
Proton recoil telescope based on diamond detectors for measurement of fusion neutrons
金刚石是聚变反应堆等恶劣环境下中子诊断的理想材料。首先，这是因为它们的辐射硬度超过硅一个数量级。此外，与标准的在线中子诊断（裂变室、硅基探测器、闪烁器）相比，金刚石对$γ$射线不太敏感，而$γ$射线代表了聚变装置中的巨大背景。最后，它们在高温下的低漏电流抑制了探测器的固有噪声。本文提出了一种CVD金刚石基探测器，用于D-T聚变反应产生的14 MeV中子的测量。探测器被安排在一个质子反冲望远镜配置，具有在敏感体积的前面，以诱导（n，p）反应的塑料转换器。通过使用两个晶体实现的敏感体积的分割，允许在重合的情况下执行测量，这抑制了中子弹性散射背景。在FNG（Frascati中子发生器，ENEA）组装和测试了初步原型，在效率和能量分辨率方面显示出有希望的结果。
2015-05-23 nucl-ex physics.ins-det
Liquid-organic time projection chamber for detecting low energy antineutrinos
针对MeV能区反中微子探测需求，本文首次对液态有机时间投影室的IBD探测信号开展模拟研究，验证了其低本底探测、能量测量和逐事件方向重建的潜力，为后续原型实验提供依据。
2023-05-26 physics.ins-det
Performance of an optically read out time projection chamber with ultra-relativistic electrons
时间投影室（TPC）是精细研究气体介质中带电粒子电离的理想装置。大体积的TPC可以用合适数量的通道读出，提供超相对论带电粒子轨道的完整3D重建，即其在TPC气体体积中的能量释放序列。此外，氦基TPC是非常有希望的研究keV能量粒子作为核反冲，打开了可能性的定向搜索的暗物质（DM）和太阳中微子（SN）的研究。在本文中，我们报告了一个小TPC原型（名为LEMOn）建立的CYGNO合作，暴露于450 MeV的电子束在弗拉斯卡蒂国家实验室的束流测试设施获得的数据分析。LEMOn在大气压下使用He-CF 4混合物运行，并基于气体电子倍增器放大级，该放大级产生由亚毫米位置分辨率科学CMOS相机收集的可见光。这种类型的读出-结合快速光检测-允许电子轨道的3D重建。电子留下了一系列电离段，每个电离段对应于几keV的能量释放。他们的研究预测了核反冲的keV能量阈值和1-10 mm的纵向位置分辨率和0.1-0.3 mm的横向位置分辨率，对于光学读出TPC在DM搜索和SN测量中的应用非常有希望。
2021-03-10 physics.app-ph physics.ins-det
First 3D vector tracking of helium recoils for fast neutron measurements at SuperKEKB
我们目前的结果，从第一次部署的新型，高清晰度，紧凑的气体时间投影室（TPC）与像素芯片读出的BEAST II光束背景测量项目的一部分，在SuperKEKB。TPC提供了标准温度和压力下氦和二氧化碳目标气体混合物中中子诱导核反冲电离的详细3D成像。我们发现优秀的电子背景抑制，导致背景无核反冲测量超过50 keVee，尽管极端的高背景环境。我们测量的角分辨率优于20°的反冲轨道长度超过1.7毫米，对应的平均电离能的~100 keVee。我们还获得了3D矢量方向的氦反冲利用沿反冲轴的电荷分布测量，与正确的头/尾分配效率约为80%。有了这个性能，我们提出了测量和模拟的事件率，反冲能谱，和定向分布起源于束气和Touschek束损失SuperKEKB之间的比较。我们利用头/尾识别区分Belle II坐标系中具有正径向速度的中子分量与具有相反方向的中子分量。最后，我们提出了一种新的方法，区分束气相互作用的Touschek光束损失，可以消除需要专门的加速器运行的背景测量。这种方法仍然是有限的。然而，未来的研究应该能够验证这种方法，这反过来又可能导致中子背景分析运行与正常的Belle II操作共生。这里展示的能力也表明，高清晰度反冲成像气体TPC适用于低能量，低背景的实验，如定向暗物质搜索。
2021-10-20 hep-ex 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
