Constraints on Sub-GeV Dark-Matter-Electron Scattering from the DarkSide-50 Experiment

Agnes, P.; Albuquerque, I. F. M.; Alexander, T.; Alton, A. K.; Araujo, G. R.; Asner, D. M.; Ave, M.; Back, H. O.; Baldin, B.; Batignani, G.; Biery, K.; Bocci, V.; Bonfini, G.; Bonivento, W.; Bottino, B.; Budano, F.; Bussino, S.; Cadeddu, M.; Cadoni, M.; Calaprice, F.; Caminata, A.; Canci, N.; Candela, A.; Caravati, M.; Cariello, M.; Carlini, M.; Carpinelli, M.; Catalanotti, S.; Cataudella, V.; Cavalcante, P.; Cavuoti, S.; Cereseto, R.; Chepurnov, A.; Cicalò, C.; Cifarelli, L.; Cocco, A. G.; Covone, G.; D'Angelo, D.; D'Incecco, M.; D'Urso, D.; Davini, S.; De Candia, A.; De Cecco, S.; De Deo, M.; De Filippis, G.; De Rosa, G.; De Vincenzi, M.; Demontis, P.; Derbin, A. V.; Devoto, A.; Di Eusanio, F.; Di Pietro, G.; Dionisi, C.; Downing, M.; Edkins, E.; Empl, A.; Fan, A.; Fiorillo, G.; Fomenko, K.; Franco, D.; Gabriele, F.; Gabrieli, A.; Galbiati, C.; Garcia Abia, P.; Ghiano, C.; Giagu, S.; Giganti, C.; Giovanetti, G. K.; Gorchakov, O.; Goretti, A. M.; Granato, F.; Gromov, M.; Guan, M.; Guardincerri, Y.; Gulino, M.; Hackett, B. R.; Hassanshahi, M. H.; Herner, K.; Hosseini, B.; Hughes, D.; Humble, P.; Hungerford, E. V.; Ianni, Al.; Ianni, An.; Ippolito, V.; James, I.; Johnson, T. N.; Kahn, Y.; Keeter, K.; Kendziora, C. L.; Kochanek, I.; Koh, G.; Korablev, D.; Korga, G.; Kubankin, A.; Kuss, M.; La Commara, M.; Lai, M.; Li, X.; Lisanti, M.; Lissia, M.; Loer, B.; Longo, G.; Ma, Y.; Machado, A. A.; Machulin, I. N.; Mandarano, A.; Mapelli, L.; Mari, S. M.; Maricic, J.; Martoff, C. J.; Messina, A.; Meyers, P. D.; Milincic, R.; Mishra-Sharma, S.; Monte, A.; Morrocchi, M.; Mount, B. J.; Muratova, V. N.; Musico, P.; Nania, R.; Navrer Agasson, A.; Nozdrina, A. O.; Oleinik, A.; Orsini, M.; Ortica, F.; Pagani, L.; Pallavicini, M.; Pandola, L.; Pantic, E.; Paoloni, E.; Pazzona, F.; Pelczar, K.; Pelliccia, N.; Pesudo, V.; Picciau, E.; Pocar, A.; Pordes, S.; Poudel, S. S.; Pugachev, D. A.; Qian, H.; Ragusa, F.; Razeti, M.; Razeto, A.; Reinhold, B.; Renshaw, A. L.; Rescigno, M.; Riffard, Q.; Romani, A.; Rossi, B.; Rossi, N.; Sablone, D.; Samoylov, O.; Sands, W.; Sanfilippo, S.; Sant, M.; Santorelli, R.; Savarese, C.; Scapparone, E.; Schlitzer, B.; Segreto, E.; Semenov, D. A.; Shchagin, A.; Sheshukov, A.; Singh, P. N.; Skorokhvatov, M. D.; Smirnov, O.; Sotnikov, A.; Stanford, C.; Stracka, S.; Suffritti, G. B.; Suvorov, Y.; Tartaglia, R.; Testera, G.; Tonazzo, A.; Trinchese, P.; Unzhakov, E. V.; Verducci, M.; Vishneva, A.; Vogelaar, B.; Wada, M.; Waldrop, T. J.; Wang, H.; Wang, Y.; Watson, A. W.; Westerdale, S.; Wojcik, M. M.; Wojcik, M.; Xiang, X.; Xiao, X.; Yang, C.; Ye, Z.; Zhu, C.; Zichichi, A.; Zuzel, G.

doi:10.1103/PhysRevLett.121.111303

We present new constraints on sub-GeV dark-matter particles scattering off electrons based on 6780.0 kg d of data collected with the DarkSide-50 dual-phase argon time projection chamber. This analysis uses electroluminescence signals due to ionized electrons extracted from the liquid argon target. The detector has a very high trigger probability for these signals, allowing for an analysis threshold of three extracted electrons, or approximately 0.05 keVee. We calculate the expected recoil spectra for dark matter-electron scattering in argon and, under the assumption of momentum-independent scattering, improve upon existing limits from XENON10 for dark-matter particles with masses between 30 and 100 MeV/c2.