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中韩合作研究项目 WIMP 暗物质实验探测 Tsinghua Li jin

中韩合作研究项目 WIMP 暗物质实验探测 Tsinghua 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.

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中韩合作研究项目 WIMP 暗物质实验探测 Tsinghua Li jin

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  1. 中韩合作研究项目 WIMP暗物质实验探测Tsinghua 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

  2. 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

  3. 银河系 宇宙中存在大量暗物质！

  4. 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。

  5. 暗物质探测方法 正在进行和建设的 暗物质直接探测实验

  6. 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》

  7. 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。

  8. 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。

  9. 探测器性能测试 • 能量阈值可以达到 ～100eV水平！

  10. 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

  11. 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

  12. 电子学与数据获取系统框图 FADC Signal Inhibit Ge Detector Pre-amp Amplifier High Gain Low Gain CsI Detector Amplifier CsI Signal GEANT4 Linux System ROOT

  13. 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)

  14. 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

  15. 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%

  16. 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)

  17. CsI 晶体内部放射性

  18. Cs 同位素活度 • Cs 同位素衰变分支 • 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 )

  19. 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

  20. 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

  21. HPGe探测器刻度 • Sumtotal - Pedestal Peak resolution: (Fe-55) Nice Linearity !

  22. CsI晶体探测器刻度 • Source : • Na-22 (0.511 & 1.275MeV) • Mn-54 (0.835MeV). • Signal information: • Sum – Pedestal

  23. 本底运行数据

  24. Ge 内部放射性 • Energy 10.3keV ( 268 events) • Energy 1.3keV (about 20 events) • Possible candidates: • 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: Good energy calibration !

  25. 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

  26. Ge探测器能量阈(No PSD)

  27. CsI(Tl)探测器能量阈 (No PSD)

  28. 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%

  29. 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。

  30. 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

  31. 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。

  32. Thanks!

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