مقاله تحریکات جمعی و نشانه های یونیزاسیون کم انرژی ذرات نسبیتی در آشکارسازهای سیلیکونی

چکیده

Solid-state detectors with a low energy threshold have several applications, including in direct-detection searches of non-relativistic halo dark-matter particles with sub-GeV masses. Moreover, when searching for relativistic or quasi-relativistic beyond-the-Standard-Model particles (i.e., $v/c\gtrsim 0.01$) that have an enhanced cross section for small energy transfers, a comparatively small detector with a low energy threshold may have better sensitivity than a larger detector with a higher energy threshold. In this paper, we provide accurate calculations of the low-energy ionization spectrum from high-velocity particles scattering in a dielectric material. We focus on silicon, although our results can be easily applied to other materials. We consider the full material response, in particular also the excitation of bulk plasmons. We generalize the energy-loss function to relativistic kinematics, and benchmark existing tools used for halo dark-matter scattering against publicly available electron energy-loss spectroscopy data. Compared to calculations of energy loss that are commonly used in the literature, such as the Photo-Absorption-Ionization model or the free-electron model, the inclusion of collective effects shifts the recoil ionization spectrum towards higher energies, typically peaking around 4–6 electron-hole pairs. We apply our results to the three benchmark examples: millicharged particles produced in a beam, neutrinos with a magnetic dipole moment produced in a reactor, and dark-matter particles that are upscattered by cosmic rays or in the Sun. Our results show that the proper inclusion of collective effects typically enhances a detector’s sensitivity to these particles, since detector backgrounds, such as dark counts, peak at lower energies.

چکیده به فارسی (ترجمه ماشینی)

آشکارسازهای حالت جامد با آستانه انرژی کم دارای چندین برنامه کاربردی هستند ، از جمله در جستجوی مستقیم تشخیص ذرات Halo Dark-Matter با توده های زیر GEV.علاوه بر این ، هنگام جستجوی ذرات نسبی گرا یا شبه نسبی یا شبه رباتیوی فراتر از استاندارد (به عنوان مثال ، $ V/C \ Gtrsim 0.01 $) که دارای یک مقطع پیشرفته برای انتقال انرژی کوچک ، یک آشکارساز نسبتاً کوچک با آستانه انرژی کم استممکن است حساسیت بهتری نسبت به یک آشکارساز بزرگتر با آستانه انرژی بالاتر داشته باشد.در این مقاله ، ما محاسبات دقیقی از طیف یونیزاسیون کم انرژی از ذرات با سرعت بالا پراکنده در یک ماده دی الکتریک ارائه می دهیم.ما روی سیلیکون تمرکز می کنیم ، اگرچه نتایج ما می تواند به راحتی در سایر مواد اعمال شود.ما پاسخ کامل مادی را در نظر می گیریم ، به ویژه همچنین تحریک پلاسمون های فله.ما عملکرد از دست دادن انرژی را به سینماتیک نسبی گرایانه تعمیم می دهیم ، و ابزارهای موجود استفاده شده برای پراکندگی مواد تاریک هاله در برابر داده های طیف سنجی از دست دادن انرژی الکترونی در دسترس عمومی.در مقایسه با محاسبات از دست دادن انرژی که معمولاً در ادبیات استفاده می شود ، مانند مدل یونیزاسیون عکس-جذب یا مدل الکترون آزاد ، گنجاندن اثرات جمعی ، طیف یونیزاسیون را به سمت انرژی های بالاتر تغییر می دهد ، به طور معمول در حدود 4- به اوج خود می رسد-6 جفت سوراخ الکترون.ما نتایج خود را در سه نمونه معیار اعمال می کنیم: ذرات Millicharged تولید شده در یک پرتو ، نوترینو با یک لحظه دو قطبی مغناطیسی که در یک راکتور تولید می شود ، و ذرات ماده تیره که توسط پرتوهای کیهانی یا در آفتاب بالا می روند.نتایج ما نشان می دهد که گنجاندن مناسب از اثرات جمعی به طور معمول باعث افزایش حساسیت یک ردیاب به این ذرات می شود ، زیرا پس زمینه ردیاب ، مانند تعداد تاریک ، در انرژی های پایین تر به اوج خود می رسد.