通过电子反冲直接探测强相互作用的亚 GeV 暗物质

我们考虑在暗物质与普通物质间存在强相互作用的情况下，通过电子散射对亚 GeV 暗物质进行直接探测搜寻。地球地壳、大气和屏蔽材料中的电子与原子核散射会衰减到达地面探测器的预期本地暗物质通量，使得此类实验对超过某一临界截面的暗物质失去灵敏度。我们研究了多种模型，包括暗物质与重质量及超轻暗光子相互作用、通过电偶极矩相互作用，以及仅与电子相互作用的模型。对于暗光子媒介和电偶极相互作用，暗物质-电子散射截面与暗物质-原子核截面直接关联，且原子核相互作用通常主导衰减过程。我们利用蒙特卡洛模拟与解析估计相结合，从若干实验——SENSEI、CDMS-HVeV、XENON10、XENON100 和 DarkSide-50——确定了不同暗物质模型的排除带。我们还推导了位于不同深度及一系列曝光量下探测器的预期灵敏度，并计算了 SENSEI 在 SNOLAB 与 DAMIC-M 在 Modane 的预期灵敏度。最后，我们讨论了对高截面灵敏的小型气球与卫星载探测器（如对电子反冲敏感的 Skipper-CCD）的探测范围与调制特征。此类探测器有可能探测到与大质量但超轻暗光子相互作用的亚主导暗物质成分在高截面处尚未受约束的参数空间。