用于轻暗物质探测的声子动力学

低质量暗物质 (DM) 的搜寻与新探测通道的识别及合适探测器的发展同步进行。探测由此产生的小能量沉积具有挑战性：它需要极高的灵敏度，唯有低温热探测器可实现，而其可能已达极限。理解可能限制这些探测器性能的过程，对于评估所提出新探测方案的可行性以及设计探测器和调谐其性能至关重要。本文聚焦于一种有前景的探测方案，即极性材料中单光学声子的激发，以评估低温热探测器的可能限制因素之一，即靶材/吸收体中的声子动力学。我们在一个完全第一性原理的框架内，详细理论分析了低质量 DM 粒子在 Al2O3 靶材中相互作用所产生的光学声子所经历的下行转换与传播过程，直至其到达与声子 Al 收集器的界面。在初步的方法学考察揭示了任何基于弛豫时间近似 (RTA) 的方法的局限性之后，我们开发了三维超越 RTA 的声子蒙特卡洛方法，使我们能够引入器件的空间维度并解决关于靶材尺寸与散射位置影响的问题。我们还分析了声子能量与波矢的影响，并表明同位素或许有违直觉地可通过提供更高速度的输运通道而带来更大的热流，从而有利于探测。我们的结果表明，尽管具有挑战性，但通过非热声子产生直接探测轻 DM 似乎是可行的，且声子下行转换继以准弹道传播似乎并非降低信号的重大瓶颈。