A study of events with photoelectric emission in the DarkSide-50 liquid argon Time Projection Chamber
50 Collaboration, P. Agnes, I. F. M. Albuquerque, T. Alexander, A. K. Alton, M. Ave, H. O. Back, G. Batignani, K. Biery, V. Bocci, W. M. Bonivento, B. Bottino, … 展开作者
50 Collaboration, P. Agnes, I. F. M. Albuquerque, T. Alexander, A. K. Alton, M. Ave, H. O. Back, G. Batignani, K. Biery, V. Bocci, W. M. Bonivento, B. Bottino, S. Bussino, M. Cadeddu, M. Cadoni, F. Calaprice, A. Caminata, N. Canci, M. Caravati, M. Cariello, M. Carlini, M. Carpinelli, S. Catalanotti, V. Cataudella, P. Cavalcante, S. Cavuoti, A. Chepurnov, C. Cicalo, A. G. Cocco, G. Covone, D. D'Angelo, S. Davini, A. De Candia, S. De Cecco, G. De Filippis, G. De Rosa, A. V. Derbin, A. Devoto, M. D'Incecco, C. Dionisi, F. Dordei, M. Downing, D. D'Urso, G. Fiorillo, D. Franco, F. Gabriele, C. Galbiati, C. Ghiano, C. Giganti, G. K. Giovanetti, O. Gorchakov, A. M. Goretti, A. Grobov, M. Gromov, M. Guan, Y. Guardincerri, M. Gulino, B. R. Hackett, K. Herner, B. Hosseini, F. Hubaut, E. V. Hungerford, An. Ianni, V. Ippolito, K. Keeter, C. L. Kendziora, I. Kochanek, D. Korablev, G. Korga, A. Kubankin, M. Kuss, M. La Commara, M. Lai, X. Li, M. Lissia, G. Longo, I. N. Machulin, L. P. Mapelli, S. M. Mari, J. Maricic, C. J. Martoff, A. Messina, P. D. Meyers, R. Milincic, M. Morrocchi, V. N. Muratova, P. Musico, A. Navrer Agasson, A. O. Nozdrina, A. Oleinik, F. Ortica, L. Pagani, M. Pallavicini, L. Pandola, E. Pantic, E. Paoloni, K. Pelczar, N. Pelliccia, E. Picciau, A. Pocar, S. Pordes, S. S. Poudel, P. Pralavorio, F. Ragusa, M. Razeti, A. Razeto, A. L. Renshaw, M. Rescigno, J. Rode, A. Romani, D. Sablone, O. Samoylov, W. Sands, S. Sanfilippo, C. Savarese, B. Schlitzer, D. A. Semenov, A. Shchagin, A. Sheshukov, M. D. Skorokhvatov, O. Smirnov, A. Sotnikov, S. Stracka, Y. Suvorov, R. Tartaglia, G. Testera, A. Tonazzo, E. V. Unzhakov, A. Vishneva, R. B. Vogelaar, M. Wada, H. Wang, Y. Wang, S. Westerdale, Ma. M. Wojcik, X. Xiao, C. Yang, G. Zuzel
在粒子探测器中寻找暗物质相互作用的明确证据是物理学研究的一个主要目标。液态氩时间投影室提供了一条探测弱相互作用大质量粒子在原子核上散射截面的路径，直到所谓的中微子层，质量范围从几个GeV到几个TeV。在LNGS DarkSide-50探测器成功运行的基础上，设计了一个新的、更灵敏的实验DarkSide-20 k，目前正在建造中。对DarkSide-50探测器响应的透彻理解，以及因此对所有类型的观测事件的透彻理解，对于新实验的最佳设计至关重要。在本文中，我们报告了一组特殊的事件，这是不用于暗物质搜索。也就是说，在小于最大漂移时间的时间窗口中，标准的两脉冲闪烁-电离信号伴随有源自单个或几个电子的小幅度第三脉冲。我们将我们的研究结果与LUX合作组织最近的一篇论文（D. S. Akerib et al. Phys.Rev.D 102，092004）进行了比较。事实上，这两个实验都观察到与阴极光电离有关的事件。从这些事件的测量速率，我们估计的第一次沉积在黑暗面-50阴极上的四苯基丁二烯的量子效率在128 nm左右的波长，在液态氩。此外，两个实验都观察到可能与液体中杂质的光电离有关的事件。每单位长度的光电子发射的概率原来是一个数量级小的DarkSide-50比在LUX。这一结果，加上更大的测量电子寿命，一致地暗示在黑暗面-50比在LUX的污染物浓度较低。
英文摘要：
Finding unequivocal evidence of dark matter interactions in a particle detector is a major objective of physics research. Liquid argon time projection chambers offer a path to probe Weakly Interacting Massive Particles scattering cross sections on nucleus down to the so-called neutrino floor, in a mass range from few GeV's to hundredths of TeV's. Based on the successful operation of the DarkSide-50 detector at LNGS, a new and more sensitive experiment, DarkSide-20k, has been designed and is now under construction. A thorough understanding of the DarkSide-50 detector response and, therefore, of all kind of observed events, is essential for an optimal design of the new experiment. In this paper, we report on a particular set of events, which were not used for dark matter searches. Namely, standard two-pulse scintillation-ionization signals accompanied by a small amplitude third pulse, originating from single or few electrons, in a time window of less than a maximum drift time. We compare our findings to those of a recent paper of the LUX Collaboration (D.S.Akerib et al. Phys.Rev.D 102, 092004). Indeed, both experiments observe events related to photoionization of the cathode. From the measured rate of these events, we estimate for the first time the quantum efficiency of the tetraphenyl butadiene deposited on the DarkSide-50 cathode at wavelengths around 128 nm, in liquid argon. Also, both experiments observe events likely related to photoionization of impurities in the liquid. The probability of photoelectron emission per unit length turns out to be one order of magnitude smaller in DarkSide-50 than in LUX. This result, together with the much larger measured electron lifetime, coherently hints toward a lower concentration of contaminants in DarkSide-50 than in LUX.
Gran Sasso地下实验室的DarkSide（DS）是一个基于TPC的直接暗物质搜索计划，该计划使用来自地下源的液态氩。装有50公斤液态氩的DS-50 TPC安装在中子和μ子探测器内。DS-50自2013年11月以来一直在收集数据，收集了超过10^7个与大气氩有关的事件。该数据代表暴露于最大背景，39 Ar的β衰变，与使用地下氩气的DS-50的完整3年运行相当。当用一个阈值进行分析时，在100 GeV的WIMP质量下，整个运行的灵敏度约为10^-45 cm 2，没有观察到39 Ar背景。我们目前的检测器的设计和性能，从大气氩气运行的结果和计划的高档到一个多吨的检测器及其灵敏度。
Proto-0: a prototype for validating key technologies of the DarkSide-20k experiment and beyond
Università degli Studi Federico II di Napoli（那不勒斯费德里科二世大学）；Gran Sasso Science Institute（格兰萨索科学研究所）；INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso（意大利国家核物理研究所格兰萨索国家实验室）；INFN Laboratori Nazionali del Sud（意大利国家核物理研究所南方国家实验室）；National Research Nuclear University MEPhI（莫斯科国立核研究大学）；Sapienza Università di Roma（罗马第一大学）；Nicolaus Copernicus Astronomical Center, Polish Academy of Sciences（波兰科学院尼古拉·哥白尼天文学中心）；National Research Centre Kurchatov Institute（库尔恰托夫国家研究中心）
暗边是一个直接探测暗物质的计划，基于两个阶段的时间投影室与耗尽氩靶。暗面探测器的设计，使用新的低本底技术和主动屏蔽，能够证明在现场一个非常低的残留本底水平。这意味着DarkSide计划中的每个探测器都应该有能力根据对一些核反冲事件的观察，对暗物质探测做出令人信服的声明。该合作目前正在意大利Gran Sasso的Nazionali del Gran Sasso运营一个10公斤的原型探测器DarkSide-10，而该计划中的第一个物理探测器DarkSide-50预计将于2012年底部署在LNGS。
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。
Results from the first use of low radioactivity argon in a dark matter search
液态氩是一种明亮的闪烁体，具有强大的粒子识别特性，使其成为直接探测暗物质搜索的有吸引力的目标。DarkSide-50暗物质搜索报告了使用低放射性氩靶获得的第一个WIMP搜索结果。DarkSide-50是一个暗物质探测器，使用两相液氩时间投影室，位于Gran Sasso国家实验室。地下氩中的Ar-39含量比大气氩低（1.4 +- 0.2）× 10^3。我们报告了（2616 +- 43）kg/d数据的无背景空结果，累积超过70.9个存活日。当结合我们以前使用大气氩气的搜索时，90% C. L.基于在WIMP搜索区域中发现的零事件，WIMP-核子自旋无关截面的上限为2.0 x 10^-44 cm ^2（8.6 x 10^-44 cm ^2，8.0 x 10^-43 cm ^2），WIMP质量为100 GeV/c^2（1 TeV/c^2，10 TeV/c^2）。
DarkSide-20k: A 20 Tonne Two-Phase LAr TPC for Direct Dark Matter Detection at LNGS
在操作DarkSide-50探测器的成功经验的基础上，DarkSide合作组织将建造DarkSide-20 k，这是一种直接WIMP搜索探测器，使用两相液体氩时间投影室（LArTPC），有效（基准）质量为23 t（20 t）。DarkSide-20 k LArTPC将被部署在一个护盾/否决器内，在圆柱形的水切伦科夫否决器（WCV）内有一个球形的液体闪烁器否决器（LSV）。DarkSide-50的运行表明，在应用脉冲形状分析之前，当使用从地下源提取的氩时，占主导地位的$^{39}$ Ar背景显著降低。从DarkSide-50的数据，与MC模拟和分析建模相结合，显示了一个拒绝因子之间的歧视$\gt3\times10^9$的电子和核反冲是可以实现的。这与否决系统的使用一起，是解锁大LArTPC探测器质量的关键，同时保持“无仪器背景”实验，在计划曝光期间，在WIMP搜索区域内预计发生不到0.1个事件（PDMATHAMO引起的核反冲除外）的实验。DarkSide-20 k将具有比原位测量的超低背景。对于$1$ TeV $/c^2$（$10$ TeV $/c^2$）质量的WIMP，这将给出$1.2\times10^{-47}$ cm $^2$（$1.1\times10^{-46}$ cm $^2$）的WIMP-核子截面的灵敏度，在5年运行期间产生100 t/年的无任何仪器背景的曝光。DarkS…
