暗物质探测的物理意义

Report
中韩合作研究项目
WIMP暗物质实验探测
Tsinghua
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Li jin
暗物质探测研究的物理意义
中韩合作研究项目
研究计划—极低能量阈HPGe探测器实
验探测WIMP
总结
暗物质探测的物理意义


1933年,Zwicky发现了“暗物质”
暗物质存在的直接证据来自对银河
系等漩涡星系的观测
Fritz Zwicky(1898-1974)
ES0269
银河系
4314
银河系
宇宙中存在大量暗物质!
   0.7 3  0.0 4
 matter  0.2 7  0.0 4
 visible
matter
 0.0 0 5
      matter  1.0 2  0.0 2
暗物质探测研究的重要意义


宇宙物质构成中,90%以上是暗物质,拥有
如此巨大的质量,暗物质几乎主宰了宇宙的
运动和演化过程。但是到现在为止,人类还
仅仅只是知道暗物质存在而已,对于暗物质
的构成、性质、分布、运动状态等等却无从
得知。
暗物质探测研究已经成为当前粒子物理、天
体物理以及宇宙学等领域的重要前沿课题。
我国也对暗物质探测研究工作极为重视,国
家自然科学基金委员会已经将暗物质暗能量
等研究领域列为重点资助范围。
暗物质探测方法
正在进行和建设的
暗物质直接探测实验
韩国暗物质研究中心
WIMP暗物质探测计划


2000年启动、极低本底CsI(Tl)晶体探
测器、地下700m实验室、液闪反符合
探测器、被动屏蔽体、500MHz FADC
电子学系统…
清华大学从2002年开始就积极参与了
该实验计划的研究工作:极低本底
CsI(Tl)晶体研究、反冲核特性研究、地
下实验室宇宙线子本底通量及位置分
辨研究、中子本底研究等
 2004年启动了一项新的研究计划
《极低能量阈HPGe探测器测量WIMP》
极低能量阈HPGe探测器测量WIMP
项目的提出:
我经过几个月的理论准备和计
算,于2004年1月在韩国
KIMS合作组会议上提出,利
用低能量阈高纯锗探测器实验
测量低质量区的暗物质WIMP,
主要研究区域集中在
10GeV/c2以下区域,得到大
陆、台湾及韩国同行的肯定,
并专门组织讨论会就这一问题
进行讨论,决定成立由清华大
学负责的合作组推进这一实验
计划。
Limited by threshold
探测器



实验计划采用
重为1kg的低能
量阈高纯锗探测
器来直接探测WIMP暗物质
第一步对质量为5g的HPGe探测器单元进行实
验研究,得到5g靶质量探测器的暗物质探测
能力。
外部屏蔽体采用主动与被动屏蔽体相结合的
方式来对主探测器进行屏蔽。
探测器性能测试

能量阈值可以达到
~100eV水平!
 AT
Tbar 
A
i i
i
i
i
电子学系统与数据获取系统
64MHz FADC
DIGITIZER
-
2 CHANNELS / BOARD
-
100us RECORDED/EVENT
-
Programmable trigger
logic & optional zero
suppression on-board
DAQ based on
Linux system
VME CONTROLLER
- USB2 INTERFACE
- OPTIONAL Transfer
- 10 Mbytes/s data transfer
屏蔽体结构

主要屏蔽目标:
– Cosmic ray
– Gamma

屏蔽体:
– 15 cm lead
– 5cm copper
– CsI veto detector
电子学与数据获取系统框图
Signal Inhibit
Amplifier
High Gain
Low Gain
CsI Detector
GEANT4
Amplifier
Linux System
FADC
Ge Detector
Pre-amp
CsI Signal
ROOT
CsI(Tl)晶体反康普顿探测器

HV 选择
-1300V(Cs-137662keV)
考虑CsI探测器的阈值,
HV会适当提高

源位置依赖
– Axial (One PMT)
– Angular (Hole)
CsI探测器信号幅度对源位置的依赖
Height (cm):
1.5, 7, 13, 22, 28
Angle (degree):
180
Height (cm):
5 (near the hole)
Angle (degree):
0, 90, 150, 180
探测器对源位置的依赖性

光电峰位置
– 底部晶体光输出约为顶部晶体光输出的70%
– 各处位置分辨好于20%, 最好处约为14%
CsI 晶体内部放射性

在Y2L地下实验室利用低本底
HPGe 探测器测量CsI本底
– 15cm Pb
– 10cm Cu
– 1 L/min N2 flow

被测CsI 晶体尺度(底部)
– R=45mm
– H=20mm
– weight 2.374Kg

测量时间:
– 1619418 sec (18.7days)
CsI 晶体内部放射性
Cs 同位素活度
• Cs 同位素衰变分支
Gamma
source
Cs-134
Cs-137

Energy (KeV) Intensity(%)
Counts
Efficiency(%)
604
98.20
1305
2.82±0.02
795
85.79
1085
2.63±0.02
662
94.40
242
2.78±0.02
含量放射性同位素含量:
– Cs 134:

(1.07 ± 0.01) E+03 counts/(Kg*day)
– Cs137:

(2.077 ± 0.03) E+02 counts/(Kg*day )
探测器系统安装 (2005年3月)

ULE-Ge detector:
–
–
–
–

H.V.: -500V
Gain: 100x 0.72
Shaping time: 6 us
Range: 0~55keV
CsI detector:
– H.V.: -1300V
– Gain: 10x

N2 flow: 1 liter/min
Ge 探测器刻度

Source :
– Fe-55
– Ti target

X-ray:
– Mn: 5.899 & 6.490keV
– Ti: 4.505 & 4.932keV
– Ca: 3.688keV

Signal information:
– Sumtotal – Pedestal
HPGe探测器刻度
•Sumtotal - Pedestal
Peak resolution: (Fe-55)
Nice Linearity !
Energy (keV)
5.899
6.490
Result (keV)
5.89770e+00
6.49145e+00
Sigma (keV)
6.27309e-02
6.54992e-02
CsI晶体探测器刻度
Source :
Na-22 (0.511 & 1.275MeV)
Mn-54 (0.835MeV).
Signal information:
Sum – Pedestal
本底运行数据
Ge 内部放射性
Energy 10.3keV ( 268 events)
Energy 1.3keV (about 20 events)
Possible candidates:
1.
Ge-70 (n, 3n) Ge-68
Ge-68 EC -> Ga68 (270.95 day)
2. Ge-70 (n, gamma) Ge-71
Ge-71 EC -> Ga71 (11.43 day)
3. self-absorption
Ga Electron Binding Energy:
Electron
Identity
Energy
(keV)
1s
10.367
2s
1.302
Good energy calibration !
Ge 内部放射性本底的衰变



对于10.3KeV X射线,
计数率在衰减,半衰
期约为8 天
对于1.3KeV X射线, 未
发现明显的衰变现象
需要更多的数据来研
究
Ge探测器能量阈(No PSD)
CsI(Tl)探测器能量阈 (No PSD)
探测器本底水平和屏蔽效果
Ge signal beyond threshold vetoed by CsI signal:
Originally: 416+764 = 1180 events
After veto: 357+456 = 813 events (270 events in 10.29keV peak)
Background level: 133 counts/(day*Kg*keV)
Efficiency = 1 - 813/1180 = 31.1%
实验结果讨论




第一个探测器单元已经在运行(质量为5g)
HPGe探测器能量阈265eV,好于预期,利用
PSD等方法,能有进一步降低的空间,希望
可以达到100eV。
本底计数率水平约为130cpd,下一阶段,需
要在更多实验数据的基础上,结合MC模拟结
果,研究本地来源,降低本底计数。
目前实验正在进行中,增加更多的探测器靶
物质也在讨论中。
预期实验结果
条件:
Target mass: 5g
QF: 0.25
Counts rate: 1 /keV·kg·day
Threshold: 100 eV
升级到 1kg Ge
200 detector array
小结

暗物质探测和研究是粒子物理学、宇宙学等领域的前
沿课题,具有重要物理意义。

本实验是第一个由我国主导的暗物质探测的实验项目,
也是国际上目前正在运行的能量阈值最低的探测器,
项目得到国际同行的肯定。

希望探测器运行一年左右时间,可以获得暗物质低质
量区国际上最好的暗物质研究物理结果。
Thanks!

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