DarkSide-20k sensitivity to light dark matter particles

Null, Null; Acerbi, F.; Adhikari, P.; Agnes, P.; Ahmad, I.; Albergo, S.; Albuquerque, I. F. M.; Alexander, T.; Alton, A. K.; Amaudruz, P.; Angiolilli, M.; Aprile, E.; Ardito, R.; Atzori Corona, M.; Auty, D. J.; Ave, M.; Avetisov, I. C.; Azzolini, O.; Back, H. O.; Balmforth, Z.; Barrado Olmedo, A.; Barrillon, P.; Batignani, G.; Bhowmick, P.; Blua, S.; Bocci, V.; Bonivento, W.; Bottino, B.; Boulay, M. G.; Buchowicz, A.; Bussino, S.; Busto, J.; Cadeddu, M.; Cadoni, M.; Calabrese, R.; Camillo, V.; Caminata, A.; Canci, N.; Capra, A.; Caravati, M.; Cárdenas-Montes, M.; Cargioli, N.; Carlini, M.; Castellani, A.; Castello, P.; Cavalcante, P.; Cebrian, S.; Cela Ruiz, J. M.; Chashin, S.; Chepurnov, A.; Cifarelli, L.; Cintas, D.; Citterio, M.; Cleveland, B.; Coadou, Y.; Cocco, V.; Colaiuda, D.; Conde Vilda, E.; Consiglio, L.; Costa, B. S.; Czubak, M.; D'Aniello, M.; D'Auria, S.; Da Rocha Rolo, M. D.; Darbo, G.; Davini, S.; De Cecco, S.; De Guido, G.; Dellacasa, G.; Derbin, A. V.; Devoto, A.; Di Capua, F.; Di Ludovico, A.; Di Noto, L.; Di Stefano, P.; Dias, L. K.; Díaz Mairena, D.; Ding, X.; Dionisi, C.; Dolganov, G.; Dordei, F.; Dronik, V.; Elersich, A.; Ellingwood, E.; Erjavec, T.; Fernandez Diaz, M.; Ficorella, A.; Fiorillo, G.; Franchini, P.; Franco, D.; Frandini Gatti, H.; Frolov, E.; Gabriele, F.; Gahan, D.; Galbiati, C.; Galiński, G.; Gallina, G.; Gallus, G.; Garbini, M.; Garcia Abia, P.; Gawdzik, A.; Gendotti, A.; Ghisi, A.; Giovanetti, G. K.; Goicoechea Casanueva, V.; Gola, A.; Grandi, L.; Grauso, G.; Grilli di Cortona, G.; Grobov, A.; Gromov, M.; Guerzoni, M.; Gulino, M.; Guo, C.; Hackett, B. R.; Hallin, A.; Hamer, A.; Haranczyk, M.; Harrop, B.; Hessel, T.; Hill, S.; Horikawa, S.; Hu, J.; Hubaut, F.; Hucker, J.; Hugues, T.; Hungerford, E. V.; Ianni, A.; Ippolito, V.; Jamil, A.; Jillings, C.; Jois, S.; Kachru, P.; Keloth, R.; Kemmerich, N.; Kemp, A.; Kendziora, C. L.; Kimura, M.; Kondo, K.; Korga, G.; Kotsiopoulou, L.; Koulosousas, S.; Kubankin, A.; Kunzé, P.; Kuss, M.; Kuźniak, M.; Kuzwa, M.; La Commara, M.; Lai, M.; Le Guirriec, E.; Leason, E.; Leoni, A.; Lidey, L.; Lissia, M.; Luzzi, L.; Lychagina, O.; Macfadyen, O.; Machulin, I. N.; Manecki, S.; Manthos, I.; Mapelli, L.; Marasciulli, A.; Mari, S. M.; Mariani, C.; Maricic, J.; Martinez, M.; Martoff, C. J.; Matteucci, G.; Mavrokoridis, K.; Mcdonald, A. B.; Mclaughlin, J.; Merzi, S.; Messina, A.; Milincic, R.; Minutoli, S.; Mitra, A.; Moioli, S.; Monroe, J.; Moretti, E.; Morrocchi, M.; Mroz, T.; Muratova, V. N.; Murphy, M.; Murra, M.; Muscas, C.; Musico, P.; Nania, R.; Nessi, M.; Nieradka, G.; Nikolopoulos, K.; Nikoloudaki, E.; Nowak, J.; Olchanski, K.; Oleinik, A.; Oleynikov, V.; Organtini, P.; Ortiz de Solórzano, A.; Pallavicini, M.; Pandola, L.; Pantic, E.; Paoloni, E.; Papi, D.; Pastuszak, G.; Paternoster, G.; Peck, A.; Pegoraro, P. A.; Pelczar, K.; Pellegrini, L. A.; Perez, R.; Perotti, F.; Pesudo, V.; Piacentini, S.; Pino, N.; Plante, G.; Pocar, A.; Poehlmann, M.; Pordes, S.; Pralavorio, P.; Price, D.; Puglia, S.; Queiroga Bazetto, M.; Ragusa, F.; Ramachers, Y.; Ramirez, A.; Ravinthiran, S.; Razeti, M.; Renshaw, A. L.; Rescigno, M.; Retiere, F.; Rignanese, L. P.; Rivetti, A.; Roberts, A.; Roberts, C.; Rogers, G.; Romero, L.; Rossi, M.; Rubbia, A.; Rudik, D.; Sabia, M.; Salomone, P.; Samoylov, O.; Sandford, E.; Sanfilippo, S.; Santone, D.; Santorelli, R.; Santos, E. M.; Savarese, C.; Scapparone, E.; Schillaci, G.; Schuckman II, F. G.; Scioli, G.; Semenov, D. A.; Shalamova, V.; Sheshukov, A.; Simeone, M.; Skensved, P.; Skorokhvatov, M. D.; Smirnov, O.; Smirnova, T.; Smith, B.; Sotnikov, A.; Spadoni, F.; Spangenberg, M.; Stefanizzi, R.; Steri, A.; Stornelli, V.; Stracka, S.; Sulis, S.; Sung, A.; Sunny, C.; Suvorov, Y.; Szelc, A. M.; Taborda, O.; Tartaglia, R.; Taylor, A.; Taylor, J.; Tedesco, S.; Testera, G.; Thieme, K.; Thompson, A.; Tonazzo, A.; Torres-Lara, S.; Tricomi, A.; Unzhakov, E. V.; Vallivilayil, T. J.; Van Uffelen, M.; Velazquez-Fernandez, L.; Viant, T.; Viel, S.; Vishneva, A.; Vogelaar, R. B.; Vossebeld, J.; Vyas, B.; Walczak, M. B.; Wang, Y.; Wang, H.; Westerdale, S.; Williams, L.; Wojaczyński, R.; Wojcik, M.; Wojcik, M. M.; Wright, T.; Xie, Y.; Yang, C.; Yin, J.; Zabihi, A.; Zakhary, P.; Zani, A.; Zhang, Y.; Zhu, T.; Zichichi, A.; Zuzel, G.; Zykova, M. P.

doi:10.1038/s42005-024-01896-z

The dual-phase liquid argon time projection chamber is presently one of the leading technologies to search for dark matter particles with masses below 10 GeV c−2. This was demonstrated by the DarkSide-50 experiment with approximately 50 kg of low-radioactivity liquid argon as target material. The next generation experiment DarkSide-20k, currently under construction, will use 1,000 times more argon and is expected to start operation in 2027. Based on the DarkSide-50 experience, here we assess the DarkSide-20k sensitivity to models predicting light dark matter particles, including Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) and sub-GeV c−2 particles interacting with electrons in argon atoms. With one year of data, a sensitivity improvement to dark matter interaction cross-sections by at least one order of magnitude with respect to DarkSide-50 is expected for all these models. A sensitivity to WIMP–nucleon interaction cross-sections below 1 × 10−42 cm2 is achievable for WIMP masses above 800 MeV c−2. With 10 years exposure, the neutrino fog can be reached for WIMP masses around 5 GeV c−2.