A Review of Basic Energy Reconstruction Techniques in Liquid Xenon and Argon Detectors for Dark Matter and Neutrino Physics Using NEST
M. Szydagis, G. A. Block, C. Farquhar, A. J. Flesher, E. S. Kozlova, C. Levy, E. A. Mangus, M. Mooney, J. Mueller, G. R. C. Rischbieter, A. K. Schwartz
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 channel available at non-zero drift electric fields, and combined techniques that include a simple linear combination and weighted averages, with a brief discussion of the applications of profile likelihood, maximum likelihood, and machine learning. Comparing results for electron recoils (beta and gamma interactions) and nuclear recoils (primarily from neutrons) from the Noble Element Simulation Technique (NEST) simulation to available data, we confirm that combining all available information generates higher-precision means, lower widths (energy resolution), and more symmetric shapes (approximately Gaussian) especially at keV-scale energies, with the symmetry even greater when thresholding is addressed. Near thresholds, bias from upward fluctuations matters. For MeV-GeV scales, if only one channel is utilized, an ionization-only-based energy scale outperforms scintillation; channel combination remains beneficial. We discuss here what major collaborations use.
Gas Electroluminescence in a Dual Phase Xenon-Doped Argon Detector
Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）；University of California Davis（加州大学戴维斯分校）；University of California San Diego（加州大学圣地亚哥分校）；University of California Riverside（加州大学河滨分校）
Detection capability of Migdal effect for argon and xenon nuclei with position sensitive gaseous detectors
由于迁移效应可以提高直接探测低质量区域暗物质的灵敏度，因此引起了人们的兴趣。尽管米格达尔效应非常重要，但尚未在实验上观察到。用蒙特卡罗模拟研究了中子散射中Migdal效应首次观测的一种现实的实验方法。在这项研究中，潜在的背景率一起研究的事件率的米格达尔效应的中子源。发现填充有氩或氙目标气体的桌面大小的$\sim (30\rm cm )^3$位置敏感气体检测器可以以足够的速率（O（$10^2\sim10^3$）事件/天）检测Migdal效应的特征签名。一个简单的实验装置的模拟结果表明，两个显着的背景源，即本征中子和中子感生γ射线。这些背景率被发现是远远高于中子散射中的Migdal效应。作为这项研究的结果，它的结论是，在中子散射中的Migdal效应的实验观察可以实现一个很好的理解和减少的背景。
VUV Reflectance Measurements for Materials Relevant to Argon and Xenon Experiments
Universiteit van Amsterdam（阿姆斯特丹大学）；Nikhef National Institute of Subatomic Physics（NIKHEF国家亚原子物理研究所）；Instituto de Física Corpuscular, CSIC and Universitat de València（瓦伦西亚大学与西班牙高等科学研究委员会粒子物理研究所）
Scintillation light detection in the 6-m drift length ProtoDUNE Dual Phase liquid argon TPC
深地下中微子实验（DUNE）是长基线中微子振荡研究、中微子天体物理学和核子衰变研究的前沿实验。ProtoDUNE-Dual Phase（DP）是一个6x6 x6 m $^3$液氩时间投影室（LArTPC），于2019-2020年在CERN中微子平台上运行，作为DUNE远探测器的原型。在ProtoDUNE-DP中，LArTPC中宇宙μ子产生的闪烁和电致发光由放置在离电离轨道7米远的光电倍增管收集。在本文中，我们提出了性能的ProtoDUNE-DP光子探测系统，比较不同的波长移动技术和使用的氙掺杂LAr作为一个有前途的选择，为未来的大型LArTPC。闪烁光的产生和传播过程进行了分析，并与模拟进行了比较，提高了对液态氩特性的理解。
Performance of a SensL-30035-16P Silicon Photomultiplier array at liquid argon temperature
下一代多吨级的稀有液体实验有独特的机会发现TeV级的暗物质粒子，在WIMP核子散射截面中达到10^-48 cm 2的灵敏度。一个先决条件是将放射性本底源减少到可以忽略不计的水平。这只有在超纯高效光电传感器可用于闪烁光读出时才有可能。目前的实验（如氙，LUX，黑暗，ArDM）使用低温光电倍增管作为光电传感器。硅光电倍增器阵列（SiPM阵列）是一种有吸引力的替代方案，它在单光子探测方面表现出无与伦比的性能。本文报道了SensL-30035- 16 P SiPM阵列和定制的低温前端板在液氩温度下的性能。
DARWIN: dark matter WIMP search with noble liquids
DARWIN（DARk matter WImp search with Noble liquids）是一项研发和设计研究，旨在实现欧洲的多吨级暗物质搜索设施，基于液态氩和液态氙时间投影室技术。DARWIN于2009年底获得ASPERA的批准，汇集了几个欧洲和美国的团队，致力于现有的ArDM，XENON和WARP实验，目标是在2013年初为该设施提供技术设计报告。DARWIN将被设计用于探测10- 47 cm ^2以下的自旋无关的WIMP-核子截面区域，并在其间的几年中探测到阳性的情况下提供WIMP相互作用的高统计测量。在简要介绍之后，将介绍DARWIN的目标、组成部分以及预期的物理范围。
Improved Modeling of $β$ Electronic Recoils in Liquid Xenon Using LUX Calibration Data
我们在这里报告的方法和技术，用于创建和改进的模型，再现的闪烁和电离响应的双相液体和气体氙时间投影室。从最近发布的稀有元素模拟技术（NEST v2.0）开始，除了外部数据集允许在LUX数据采集条件之外进行外推外，还使用了大型地下氙（LUX）探测器中${}^3$ H和${}^{14}$ C的$β$衰变的电子反冲数据来调整模型。本文还介绍了用于建模复杂的时间和空间检测器的病理，可能会对数据产生不利影响，使用一个简化的模型框架的技术。本报告中概述的方法显示了NEST v2.0可能的强大应用程序的示例，同时还提供了最终的电子反冲模型和探测器参数，这些参数将用于新的分析包，LUX Legacy Analysis Monte Carlo Application（LLAMA），以准确再现LUX数据。由于精确的背景再现对于稀有事件搜索的成功至关重要，例如暗物质直接探测实验，因此这里概述的技术可以用于其他单相和双相氙探测器，以协助精确的ER背景再现。
DARWIN: dark matter WIMP search with noble liquids
DARWIN（用惰性液体进行暗物质弱相互作用探测）是欧洲下一代多吨级暗物质探测器的设计研究。液态氩和/或液态氙是直接探测大质量弱相互作用粒子（WIMP）形式的暗物质候选者的目标介质。通过时间投影室技术观察由活性检测器体积中的粒子相互作用产生的光和电荷信号。DARWIN将探测1 e-48 cm 2以下与自旋无关的WIMP-核子截面，并测量具有高统计数据的WIMP诱导核反冲谱，如果它们被现有或不久的将来的实验发现的话。在一个简短的介绍之后，我将描述项目，选择的研发主题，预期的背景和物理范围。
Detection of scintillation light in noble gases with wavelength-shifting optical fibers
Donostia International Physics Center, BERC Basque Excellence Research Centre（多诺西亚国际物理中心，BERC巴斯克卓越研究中心）；Ikerbasque (Basque Foundation for Science)（伊克拉巴斯克（巴斯克科学基金会））；Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València（粒子物理研究所（IFIC），西班牙国家研究委员会与瓦伦西亚大学）；Department of Physics, Universidad del Pais Vasco (UPV/EHU)（巴斯克国立大学（UPV/EHU）物理系）；Nuclear Research Center Negev（内盖夫核研究中心）
