DarkSPHERE: Exploring light dark matter with a spherical proportional counter electroformed underground at the Boulby Underground Laboratory - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Article Dans Une Revue Physical Review D Année : 2023

DarkSPHERE: Exploring light dark matter with a spherical proportional counter electroformed underground at the Boulby Underground Laboratory

L. Balogh
  • Fonction : Auteur
M. Chapellier
  • Fonction : Auteur
E.C. Corcoran
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J.-M. Coquillat
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Y. Deng
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D. Durnford
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C. Garrah
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G. Gerbier
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G. Giroux
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P. Gorel
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P. Gros
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E.W. Hoppe
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I. Katsioulas
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F. Kelly
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P. Knights
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I. Manthos
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R.D. Martin
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J. Matthews
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T. Neep
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K. Nikolopoulos
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P. O'Brien
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M.-C. Piro
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N. Rowe
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G. Savvidis
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I. Savvidis
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R. Ward
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E. Banks
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L. Hamaide
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C. Mccabe
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K. Mimasu
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S. Paling
  • Fonction : Auteur

Résumé

We present the conceptual design and the physics potential of DarkSPHERE, a proposed 3 m in diameter spherical proportional counter electroformed underground at the Boulby Underground Laboratory. This effort builds on the R&D performed and experience acquired by the NEWS-G Collaboration. DarkSPHERE is primarily designed to search for nuclear recoils from light dark matter in the 0.05--10 GeV mass range. Electroforming the spherical shell and the implementation of a shield based on pure water ensures a background level below 0.01 dru. These, combined with the proposed helium-isobutane gas mixture, will provide sensitivity to the spin-independent nucleon cross-section of $2\times 10^{-41} (2\times 10^{-43})$ cm$^2$ for a dark matter mass of $0.1 (1)$ GeV. The use of a hydrogen-rich gas mixture with a natural abundance of $^{13}$C provides sensitivity to spin-dependent nucleon cross-sections more than two orders of magnitude below existing constraints for dark matter lighter than 1 GeV. The characteristics of the detector also make it suitable for searches of other dark matter signatures, including scattering of MeV-scale dark matter with electrons, and super-heavy dark matter with masses around the Planck scale that leave extended ionisation tracks in the detector.

Dates et versions

hal-03952694 , version 1 (23-01-2023)

Identifiants

Citer

L. Balogh, C. Beaufort, M. Chapellier, E.C. Corcoran, J.-M. Coquillat, et al.. DarkSPHERE: Exploring light dark matter with a spherical proportional counter electroformed underground at the Boulby Underground Laboratory. Physical Review D, 2023, 108 (11), pp.112006. ⟨10.1103/PhysRevD.108.112006⟩. ⟨hal-03952694⟩
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