通过极角直接探测及柱状复合应用实现的方向性暗物质探测

我们报告了一项关于直接暗物质探测器方向灵敏度的系统研究，该探测器能够探测反冲核的极角。采用了一种与弱相互作用大质量粒子 (WIMP) 质量无关的方法，以获得等温银河系暗物质晕中一般探测器的灵敏度。利用能量和极角的二维分布，发现不具备头尾信息但统计量增加 6.3 倍的探测器，其性能水平可与完整的三维径迹暗物质探测器相当。针对各种实验配置（包括空间固定或地球固定的探测器、具备或不具备头尾能力、使用或不使用能量信息），获得了最佳运行取向。研究发现，当极轴与地球极轴成 45 度角定向时，地球固定探测器的灵敏度最佳。在存在模仿 WIMP 信号能量分布的背景污染情况下，性能下降速率低于信号纯度的下降速率。报告了使用气态氙作为靶材料、具有不同能量阈值的探测器的性能对 WIMP 质量的依赖性。我们发现，对于自旋无关的 WIMP-核子截面为 $5\times 10^{-46} \mathrm{cm}^2$ 且 WIMP 质量为 30 GeV 的情况，具有 10 keV 阈值的极角探测器经过 $770$ kg$\cdot$年的曝光，可在等温银河系暗物质晕中实现方向性 WIMP 的三倍标准差发现。此外，还讨论了柱状复合探测器的实验考量。