We compute the projected sensitivity to dark matter (DM) particles in the sub-GeV mass range of future direct detection experiments using germanium and silicon semiconductor targets. We perform this calculation within the dark photon model for DM-electron interactions using the likelihood ratio as a test statistic, Monte Carlo simulations, and background models that we extract from recent experimental data. We present our results in terms of DM-electron scattering cross section values required to reject the background only hypothesis in favour of the background plus DM signal hypothesis with a statistical significance, $\mathcal{Z}$, corresponding to 3 or 5 standard deviations. We also test the stability of our conclusions under changes in the astrophysical parameters governing the local space and velocity distribution of DM in the Milky Way. In the best-case scenario, when a high-voltage germanium detector with an exposure of $50$ kg-year and a CCD silicon detector with an exposure of $1$ kg-year and a dark current rate of $1\times10^{-7}$ counts/pixel/day have simultaneously reported a DM signal, we find that the smallest cross section value compatible with $\mathcal{Z}=3$ ($\mathcal{Z}=5$) is about $8\times10^{-42}$ cm$^2$ ($1\times10^{-41}$ cm$^2$) for contact interactions, and $4\times10^{-41}$ cm$^2$ ($7\times10^{-41}$ cm$^2$) for long-range interactions. Our sensitivity study extends and refine previous works in terms of background models, statistical methods, and treatment of the underlying astrophysical uncertainties.

中文翻译：

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下一代半导体探测器对亚 GeV 暗物质的预计灵敏度

我们使用锗和硅半导体目标计算未来直接检测实验中亚 GeV 质量范围内暗物质 (DM) 粒子的预计灵敏度。我们在暗光子模型中使用似然比作为测试统计量、蒙特卡罗模拟和我们从最近的实验数据中提取的背景模型，在 DM-电子相互作用的暗光子模型中执行此计算。我们根据拒绝仅背景假设所需的 DM 电子散射截面值呈现我们的结果，支持背景加 DM 信号假设，具有统计显着性 $\mathcal{Z}$，对应于 3 或 5 个标准偏差. 我们还测试了在控制银河系 DM 局部空间和速度分布的天体物理参数发生变化的情况下我们结论的稳定性。在最好的情况下，当一个高压锗探测器的曝光量为 $50$kg-year 和一个 CCD 硅探测器的曝光量为 $1$kg-year 和暗电流率为 $1\times10^{-7 }$ counts/pixel/day 同时报告了一个DM信号，我们发现与$\mathcal{Z}=3$($\mathcal{Z}=5$)兼容的最小横截面值约为$8\times10^ {-42}$ cm$^2$ ($1\times10^{-41}$ cm$^2$) 用于联系互动，$4\times10^{-41}$ cm$^2$ ($7\times10^ {-41}$ cm$^2$) 用于远程交互。我们的敏感性研究在背景模型、统计方法和潜在天体物理不确定性的处理方面扩展和完善了以前的工作。当暴露为 $50$kg-year 的高压锗探测器和暴露为 $1$kg-year 和暗电流率为 $1\times10^{-7}$ 的 CCD 硅探测器计数/像素/天同时报告了一个 DM 信号，我们发现与 $\mathcal{Z}=3$ ($\mathcal{Z}=5$) 兼容的最小横截面值约为 $8\times10^{-42}$ cm$ ^2$ ($1\times10^{-41}$ cm$^2$) 用于联系互动，$4\times10^{-41}$ cm$^2$ ($7\times10^{-41}$ cm$ ^2$) 用于远程交互。我们的敏感性研究在背景模型、统计方法和潜在天体物理不确定性的处理方面扩展和完善了以前的工作。当暴露为 $50$kg-year 的高压锗探测器和暴露为 $1$kg-year 和暗电流率为 $1\times10^{-7}$ 的 CCD 硅探测器计数/像素/天同时报告了一个 DM 信号，我们发现与 $\mathcal{Z}=3$ ($\mathcal{Z}=5$) 兼容的最小横截面值约为 $8\times10^{-42}$ cm$ ^2$ ($1\times10^{-41}$ cm$^2$) 用于联系互动，$4\times10^{-41}$ cm$^2$ ($7\times10^{-41}$ cm$ ^2$) 用于远程交互。我们的敏感性研究在背景模型、统计方法和潜在天体物理不确定性的处理方面扩展和完善了以前的工作。我们发现与 $\mathcal{Z}=3$ ($\mathcal{Z}=5$) 兼容的最小横截面值约为 $8\times10^{-42}$ cm$^2$ ($1\times10 ^{-41}$ cm$^2$) 用于联系交互，$4\times10^{-41}$ cm$^2$ ($7\times10^{-41}$ cm$^2$) 用于长时间-范围相互作用。我们的敏感性研究在背景模型、统计方法和潜在天体物理不确定性的处理方面扩展和完善了以前的工作。我们发现与 $\mathcal{Z}=3$ ($\mathcal{Z}=5$) 兼容的最小横截面值约为 $8\times10^{-42}$ cm$^2$ ($1\times10 ^{-41}$ cm$^2$) 用于联系交互，$4\times10^{-41}$ cm$^2$ ($7\times10^{-41}$ cm$^2$) 用于长时间-范围相互作用。我们的敏感性研究在背景模型、统计方法和潜在天体物理不确定性的处理方面扩展和完善了以前的工作。