利用晶体缺陷光谱学的暗物质方向性探测

我们提出一种通过诱导的核反冲来识别入射弱相互作用大质量粒子 (WIMP) 方向的方法。我们的方法基于对宏观固态晶体中量子缺陷的光谱学探测。当 WIMP 在晶体中散射时，诱导的核反冲会产生一个特征性的损伤团簇，其局域在约 50 nm 范围内，且损伤轨迹的取向与反冲方向（进而与入射 WIMP 方向）高度相关。该损伤团簇在晶体中引发应变，使附近量子缺陷的能级发生移动。这些能级移动可通过光学方式（或借助顺磁共振）测量，从而能够探测固体样品中缺陷周围的应变环境。作为一个具体示例，我们考虑金刚石中的氮空位中心，其高缺陷密度和单个缺陷的纳米级定位已被证实。为了定位晶体中由潜在暗物质事件引起的核反冲的毫米尺度区域，我们可以使用传统的 WIMP 探测技术，例如电离/闪烁光的收集。一旦事件被识别，就可以探测该事件附近的量子缺陷以绘制应变环境图，从而确定反冲方向。原则上，该方法应能够以大于 70% 的效率、低于 5% 的假阳性率识别 10 keV 反冲能量下的反冲方向。若成功，该方法将允许在固态密度下对 WIMP 诱导的核反冲进行方向性探测，从而能够探测位于太阳中微子地板以下的 WIMP 参数空间。该技术还可能潜在地应用于识别诸如中子等粒子的方向，其中子散射截面小，需要具有大目标质量的探测器。