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地下暗物质粒子 ( 直接 ) 探测研究 高能物理研究所 吕军光

地下暗物质粒子 ( 直接 ) 探测研究 高能物理研究所 吕军光. 1 . 直接探测暗物质粒子背景 2. 利用惰性液体探测方法 3. 利用闪烁晶体探测方法. 暗物质的存在证据. 星系旋转曲线. 大尺度结构. 微波背景辐射. 暗物质基本特点： 宇宙学时间尺度上稳定。 参与引力作用，电中性。 非重子物质 非相对论性运动 Local mass density of DM near Solar System ~0.3 Ge V /cm3 Velocity of DM particles in Milky Way: ~ 220 km/s. 强引力透镜.

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地下暗物质粒子 ( 直接 ) 探测研究 高能物理研究所 吕军光

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Presentation Transcript

  1. 地下暗物质粒子(直接)探测研究高能物理研究所吕军光地下暗物质粒子(直接)探测研究高能物理研究所吕军光 1.直接探测暗物质粒子背景 2.利用惰性液体探测方法 3.利用闪烁晶体探测方法

  2. 暗物质的存在证据 星系旋转曲线 大尺度结构 微波背景辐射 • 暗物质基本特点： • 宇宙学时间尺度上稳定。 • 参与引力作用，电中性。 • 非重子物质 • 非相对论性运动 • Local mass density of DM near Solar System ~0.3 GeV /cm3 • Velocity of DM particles in Milky Way: ~ 220 km/s 强引力透镜 弱引力透镜

  3. Galaxy configuration Dark matter halo 3

  4. 直接探测暗物质的探测器原理及国外进展 Direct detection of galactic dark matter WIMP Recoiled nucleus Event rate < 1/kg/day WIMP densityρD=0.3 GeV/c2/cm3

  5. 不同物质与暗物质的散射截面(SI)比较 考虑到探测灵敏材料的物理截面和密度，若比较相同的探测WIMP粒子效率所需采用探测灵敏材料，LAr、LXe和CsI的体积比分别为30/1.5/1。

  6. 探测方法和有效阈值

  7. 国外直接探测暗物质的探测器种类

  8. 已进行和正在进行的地下暗物质实验 Experimen Target Type Status Site Nation ANAIS NaI annual modulation construction Canfranc Spain DAMA/NaI NaI annual modulation concluded LNGS INFN-ITALY DAMA/LIBRA NaI annual modulation running LNGS INFN-ITALY DAMA/1 ton NaI annual modulation R&D LNGS INFN-ITALY NAIAD NaI PSD concluded Boulby UK HDMS Ge ionization concluded LNGS INFN-ITALY KIMS CsI PSD R&D Y2L Korea Caf2-Kamioka CaF2 PSD running Kamioka Japan DAMA/LXe LXe PSD running LNGS INFN-ITALY WARP LAr 2 phase running LNGS INFN-ITALY XENON 10 LXe 2 phase running LNGS INFN-ITALY Zeplin II LXe 2 phase running Boulby UK Zeplin III LXe 2 phase installation Boulby UK ArDM LAr 2 phase R&D Canfranc Spain LUX LXe 2 phase R&D Dusel USA CLEAN LNe PSD R&D USA DEAP LAr PSD R&D SNOLAB(CANADA) USA XMASS LXe PSD construction Kamioka Japan CDMS Ge bolometer running Soudan USA CRESST CaWO4 bolometer running LNGS INFN-ITALY-Italy EDELWEISS Ge bolometer running Frejus France ROSEBUD Ge, sap,tung bolometer R&D Canfranc Spain COUPP F SH droplet R&D Fermilab USA PICASSO F SH droplet running+R&D SNOLAB CANADA SIMPLE F SH droplet running+R&D Bas Bruit France Drift CS2 gas TPC R&D Boulby UK MIMAC 3He gas TPC R&D

  9. Double-Phase Noble Liquids LXe • detects prompt (S1) light signalafter a particle interacts in the active xenon • drifts the charge, extracts into the gas phase and detects as proportional light (S2)

  10. Double-Phase Noble Liquids LXe－XENON10

  11. Recent results of a liquid noble gas experiment: XENON10 Experimental site:Gran Sasso (1400 m depth) Target material: natXe Target mass: 5.4 kg (tot: 15 kg) Used exposure: 136 kg  day

  12. Double-Phase Noble Liquids LXe(结论小体积探测） • 必须Double-Phase测量 • 粒子鉴别能力不够 • 大体积闪烁光立体角减少,探测阈增大 • 如何解决侧面光探测问题 • 漂移电子测量可以减少~3量级本底

  13. Double-Phase Noble Liquids LAr－ArDM

  14. Double-Phase Noble Liquids LAr Fprompt=Q(<150ns)/Q Time ns tagged γ( 22Na) Neutron (AmBe)

  15. 地下暗物质探测器LAr（或LXe）方案 liquid Ar THGEM+ LM Volume for shielding Fiducial volume Fiducial Volume 87 K Scintillation and Ionization read out 77 K • 地下暗物质探测器LAr： • 探测器为球形设计，内充满LAr • 外层LAr作为屏蔽符合层 • LAr的闪烁光由沉浸在LAr外层中的读出探测器探测

  16. Double-Phase Noble Liquids LAr(结论小体积探测） • 可以不用Double-Phase测量 • 粒子鉴别能力强 • 大体积难兼顾Double-Phase测量 • 如何解决D-P测量侧面光探测问题

  17. 高能所方案研究(Noble Liquids) 攻关研究(若成功): 1,液体内可测漂移电子 外壁:PMT(闪烁光) 内球: 测量漂移电子 2,光阴极(CsI或GaN) 外壁GEM(CsI )+微结构探测(闪烁光)和漂移电子 内球: 高压

  18. Electron avalanche in LAr+LXe at the tip of needle

  19. Electron avalanche in LAr+LXe at the tip of needle

  20. 攻关研究(Noble Liquids) 攻关研究(若成功): 1,液体内测漂移电子 1) 微针电极阵列 2) APD电极阵列 3) 高温超导电极阵列(LAr) 2,光阴极(CsI或GaN) GEM板(反射光阴极)+微结构探测光电子

  21. 高能所方案研究(大晶体CsI(Na)) 方案特点: 1,大晶体(外围PMT阵列) 引入Noble Liquids 大尺寸的3D测量,增加功能: • 标记产生表层(2Cm)事例,减少外来本底(<50KeV,2~3个量级) • 中心位置(<cm)和时间(2G/FADC)信息: 多粒子,中子多次作用 2, CsI(Na)稀有的n/功能;强发光;与PMT适配(410nm)

  22. 小晶体性能测量 2.5x2.5x2.5cm方块晶体 ESR膜包装窗口输出

  23. n 粒子产生的电流波形 Gamma 粒子产生的电流波形(200ns/格)

  24. 14MeV中子束流实验

  25. 14MeV中子束流实验 1, 2 CHAN: CsI(Na)信号 1 CHAN: CsI(Na)信号 2 CHAN: 塑料闪烁信号

  26. n/ Quenching factor

  27. (Pu239)/(Am241)粒子分辨研究

  28. 5kev-Ee波形比较(裸晶体单面输出) 时间:0.2ns/chan

  29. 1kev-Ee波形比较(裸晶体单面输出) 时间:0.2ns/chan

  30. 0.5-6kev区分能力散点图

  31. cut单光子及峰位条件后散点图

  32. (Pu239)/(Am241)粒子分辨研究

  33. 3D定位精度--MC模拟 晶体尺寸：200x200x200 mm PMT直径：50mm, 总共96支PMT 发光 : 12 p.e./KeV (25,25,4.9)mm sigma/z : 0.75mm (25,25,93.1)mm sigma/z: 1.2mm

  34. 中子在晶体CsI中的多次作用 中子在晶体CsI中平均作用2次的飞行时间 中子在晶体CsI中的平均作用(总截面)路程

  35. 大晶体CsI(Na)方案研究 研究问题: 1.发光机制: CsI(弱/快) +NaI(0.01%)(强/慢) ? 2.能量标定(快慢混合) 3.多块晶体组合和定位研究 方案轮廓: 多块方晶体组合PMT阵列 • 中子在CsI(Na)中的发光淬灭因子(~16%<30KeV) • 利用n/波形的明显差异鉴别粒子 • 3D定位: 扣除表层/事例和标记多粒子作用点 • 中子在大晶体尺寸内有多个作用点

  36. Internal background Radioisotopes in the crystal 137Cs : t1/2= 30.07 year (Artificial) b decay to 137Ba* (Q = 1175.6 keV)  2 min life time, emitting 661.6 keV gamma Hard to reject 0.35 cpd/mBq/kg @ 10 keV 137Cs : 10 mBq/kg 134Cs : 20 mBq/kg 87Rb : 10 ppb 0.07 cpd/mBq 0.005 cpd/mBq 134Cs : t1/2 = 2.065 year : Artificial+ 133Cs(n,) b to 134Ba* (Q=2058.7 keV)  prompt  emission Can be rejected easily : not a problem Geant Simulation 87Rb : t1/2 = 4.75 x 1010 year (27.8% nat. abun.) b Beta deacy to 87Sr (Q=282.3 keV)  no  emission Hard to reject  reduction technique in material is known 1.07 cpd/ppb

  37. Quenching factor recoil/electron response ratio measured with a neutron source or at a neutron generator assumed1 (see also NIMA507(2003)643)) Astrop. Phys.3(1995)361 Quenching factors, q, measured by neutron sources or by neutron beams for some detectors and nuclei Ex. of different q determinations for Ge • differences are often present in different experimental determinations of q for the same nuclei in the same kind of detector • e.g. in doped scintillators q depends on dopant and on the impurities/trace contaminants; in LXe e.g.on trace impurities, on initial UHV, on presence of degassing/releasing materials in the Xe, on thermodynamical conditions, on possibly applied electric field, etc. • Some time increases at low energy in scintillators (dL/dx) • … and more

  38. 谢谢

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