Precision measurement of Compton scattering in silicon with a skipper CCD for dark matter detection - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Article Dans Une Revue Physical Review D Année : 2022

Precision measurement of Compton scattering in silicon with a skipper CCD for dark matter detection

D. Norcini
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N. Castello-Mor
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D. Baxter
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N.J. Corso
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J. Cuevas-Zepeda
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S. Munagavalasa
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S. Paul
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K. Ramanathan
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R. Smida
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R. Thomas
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R. Yajur
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A.E. Chavarria
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K. Mcguire
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P. Mitra
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A. Piers
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J. Cortabitarte Gutierrez
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J. Duarte-Campderros
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A. Lantero-Barreda
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A. Lopez-Virto
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I. Vila
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R. Vilar
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N. Avalos
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X. Bertou
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E. Estrada
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N. Gadloa
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T. Hossbach
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B. Kilminster
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I. Lawson
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S. Lee
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P. Robmann
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G. Warot
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Résumé

Experiments aiming to directly detect dark matter through particle recoils can achieve energy thresholds of $\mathcal{O}(1\,\mathrm{eV})$. In this regime, ionization signals from small-angle Compton scatters of environmental $\gamma$-rays constitute a significant background. Monte Carlo simulations used to build background models have not been experimentally validated at these low energies. We report a precision measurement of Compton scattering on silicon atomic shell electrons down to 23$\,$eV. A skipper charge-coupled device (CCD) with single-electron resolution, developed for the DAMIC-M experiment, was exposed to a $^{241}$Am $\gamma$-ray source over several months. Features associated with the silicon K, L$_{1}$, and L$_{2,3}$-shells are clearly identified, and scattering on valence electrons is detected for the first time below 100$\,$eV. We find that the relativistic impulse approximation for Compton scattering, which is implemented in Monte Carlo simulations commonly used by direct detection experiments, does not reproduce the measured spectrum below 0.5$\,$keV. The data are in better agreement with $ab$$initio$ calculations originally developed for X-ray absorption spectroscopy.

Dates et versions

hal-03721107 , version 1 (12-07-2022)

Identifiants

Citer

D. Norcini, N. Castello-Mor, D. Baxter, N.J. Corso, J. Cuevas-Zepeda, et al.. Precision measurement of Compton scattering in silicon with a skipper CCD for dark matter detection. Physical Review D, 2022, 106 (9), pp.092001. ⟨10.1103/PhysRevD.106.092001⟩. ⟨hal-03721107⟩
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