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物理学 > 仪器与探测器

arXiv:2507.17782 (physics)
[提交于 2025年7月23日 ]

标题: SPLENDOR:一种新型探测器平台,用于利用窄带隙半导体寻找轻型暗物质

标题: SPLENDOR: a novel detector platform to search for light dark matter with narrow-gap semiconductors

Authors:P. Abbamonte, A. Albert, D. S. M. Alves, J. Anczarski, T. Aralis, T. U. Böhm, C. Boyd, J. Chen, P.-H. Chu, M. S. Cook, C. W. Fink, M. L. Graesser, Y. Kahn, C. S. Kengle, T. Kucinski, N. A. Kurinsky, C. Lane, A. Leder, R. Massarczyk, A. Mazumdar, S. J. Meijer, W. Nie, E. A. Peterson, A. Phipps, F. Ronning, P. F. S. Rosa, I. Rydstrom, N. S. Sirica, Z. J. Smith, K. Stifter, S. M. Thomas, S. L. Watkins, B. A. Young, J.-X. Zhu
摘要: 我们介绍了SPLENDOR的设计和当前状态,这是一种新颖的探测器平台,结合了窄带隙半导体靶材与低噪声电荷读出技术,以实现对低于电子伏特量级的暗物质能量沉积的灵敏度。 SPLENDOR被设计为一个模块化且可扩展的系统,能够容纳不同的靶材和信号读出技术。 SPLENDOR目前的策略包括:(i) 使用具有各向异性电子结构的强关联f电子半导体,不仅能够实现亚电子伏特的能量阈值,还能对入射暗物质通量具有方向敏感性,从而通过日常调制实现信号与背景的区分,以及(ii) 基于接近单电子分辨率的低温高电子迁移率晶体管(cryoHEMT)放大器的定制电荷读出技术。 我们报告了Eu$_5$In$_2$Sb$_6$作为SPLENDOR第一代原型探测器的靶材的选择和表征,以及原型放大器链的开发和校准,实现了在硅测试样品中测量到的电荷分辨率为20$\pm$7个电子,与预测性能一致。 这展示了探测器架构,现已准备好部署在暗物质搜索活动中,以提供SPLENDOR的第一批科学结果。 最后,我们提出了在高背景和低背景环境下的非热产生遗迹暗物质参数空间中的灵敏度范围估计,以及各种放大器技术升级的灵敏度范围,包括计划中的量子传感升级,以实现我们最终目标,在优化系统中达到亚电子分辨率。 SPLENDOR提供了一种新的暗物质探测方法,将量子传感与材料设计相结合,为暗物质参数空间中亚兆电子伏特质量范围开辟了新的探索途径。
摘要: We present the design and current status of SPLENDOR, a novel detector platform that combines narrow-gap semiconductor targets with low-noise charge readout to achieve sensitivity to dark matter energy deposits well below the eV scale. SPLENDOR is designed to be a modular and scalable system able to accommodate different target materials and signal readout technologies. SPLENDOR's present strategy entails: (i) the use of strongly correlated f-electron semiconductors with anisotropic electronic structures to enable not only sub-eV energy thresholds, but also directional sensitivity to the incoming dark matter flux, allowing for signal-background discrimination via daily modulation, and (ii) custom charge readout based on cryogenic high-electron-mobility transistor (cryoHEMT) amplifiers approaching single-electron resolution. We report on the selection and characterization of Eu$_5$In$_2$Sb$_6$ as the target material for SPLENDOR's first prototype detector, as well as the development and calibration of the prototype amplifier chain, achieving a measured charge resolution of 20$\pm$7 electrons in silicon test samples, consistent with predicted performance. This provides a demonstration of the detector architecture, which is now ready for deployment in a dark matter search campaign to deliver SPLENDOR's first science results. Finally, we present estimates of sensitivity reach in the parameter space of athermally produced relic dark matter under high- and low-background environments, and for various amplifier technology upgrades with increasing performance, including planned quantum sensing upgrades in order to achieve our ultimate goal of sub-electron resolution in optimized systems. SPLENDOR provides a novel approach to dark matter detection, combining quantum sensing with material's design to open new avenues of exploration in the sub-MeV mass range of dark matter parameter space.
评论: 29页,26图,2表
主题: 仪器与探测器 (physics.ins-det) ; 高能物理 - 实验 (hep-ex); 高能物理 - 现象学 (hep-ph)
引用方式: arXiv:2507.17782 [physics.ins-det]
  (或者 arXiv:2507.17782v1 [physics.ins-det] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.17782
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
期刊参考: LA-UR-25-26113

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来自: Daniele Alves [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2025 年 7 月 23 日 04:36:21 UTC (11,623 KB)
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