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

暗物质研究是目前的科学前沿 目前认为的宇宙组成：暗能量占73%，星际气体占3.6%，中微子占0.1%，黑洞占0.04%，看得见的物质占0.4%，辐射占0.005%, 暗物质占23%。

Direct detection of galactic dark matter 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

国外直接探测暗物质的探测器种类

不同物质与暗物质的散射截面(SI)比较 考利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。

不同物质与暗物质的散射截面(SD)比较

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

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)

Double-Phase Noble Liquids LXe－XENON10

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

Double-Phase Noble Liquids LXe (结论小体积探测） 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2~3量级本底

Double-Phase Noble Liquids LAr－ArDM

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

Ar39的连续谱问题

地下暗物质探测器LAr（或LXe）方案 liquid Ar Volume for shielding Fiducial volume THGEM+ LM Fiducial volume Fiducial Volume 87 K Scintillation and Ionization read out 77 K 地下暗物质探测器LAr的初步的方案设计为： 探测器为球形设计，内充满LAr 外层LAr作为屏蔽符合层 LAr的闪烁光有外层，沉浸在LAr中的读出探测器探测 闪烁光读出探测器初步设计为THGEM＋LM读出 THGEM表层涂覆光阴极，将光转化为电子 是否同时读取WIMP与Ar原子核散射产生的离子对待定

Double-Phase Noble Liquids LAr (结论小体积探测） 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

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

Electron avalanche in LAr+LXe at the tip of needle

Electron avalanche in LAr+LXe at the tip of needle

攻关研究(Noble Liquids) 攻关研究(若成功): 1,液体内测漂移电子测量 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)研究（替代真空PMT） GEM板(反射光阴极)+微结构探测光电子

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)

小晶体CsI(Na)基本性能实验研究 裸晶体单面输出(下侧PMT),上侧2个PMT符合触发

Cs-137能谱 2.5x2.5x2.5cm方块晶体 ESR膜包装窗口输出

2.5x2.5x2.5cm方块晶体 裸晶体单面输出

Alpha 粒子产生的电流波形 Gamma 粒子产生的电流波形

脉冲波形分析 E-tmean =

Fe55能谱标定

10kev波形比较 上升时间2.5ns 衰减时间20ns 时间:0.2ns/chan

1kev波形比较 时间:0.2ns/chan

0.5-10kev区分能力散点图

cut单光子及峰位条件后散点图

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，E=10keV (25,25,4.9)mm sigma/z : 0.75mm (25,25,93.1)mm sigma/z: 1.2mm

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

大晶体CsI(Na)方案研究 研究问题: 方案轮廓: 多块方晶体组合沉浸在LAr中+PMT阵列 1.发光机制: CsI(弱/快) +NaI(0.01%)(强/慢) ? 2.能量标定(快慢混合) 3.纯中子测量(确认粒子鉴别) 4. 液氮温度下CsI发光是常温的5倍, CsI(Na)发光下降1倍. 5. 重粒子在CsI(Na)中的发光淬灭因子(常温~7%) 方案轮廓: 多块方晶体组合沉浸在LAr中+PMT阵列 3D定位: 扣除表层/事例和标记多粒子作用点 利用n/波形的明显差异鉴别粒子 中子在大晶体尺寸内有多个作用点

KIMS CsI(Tl) CYSTALS Sensitive to both SD and SI WIMP interactions Ge, Xe not sensitive to SD proton coupling  complimentary to CDMS, XENON-10  direct check of DAMA signal by I-127 recoil Easy to get large mass with an affordable cost  annual modulation study High light yield ~60,000/MeV Pulse shape discrimination  better gamma rejection than NaI(Tl) Easy fabrication and handling <Sp> <Sn> Cs-133 -0.370 0.003 I-127 0.309 0.075 Na-23 0.248 0.019 CsI(Tl) NaI(Tl) Photons/MeV ~60,000 ~40,000 Density(g/cm3) 4.53 3.67 Decay Time(ns) ~1050 ~230 Peak emission(nm) 550 415 Hygroscopicity slight strong 40

Pulse Shape Discrimination 4<E<10 keV 41

summary 1.从大体积灵敏探测和one by one 事列可分析要求,惰性液体方案和晶体方案是我们研究的方向. 2.目前国外的液体方案有优化的空间,有待我们攻关研究突破. 3. 大晶体 CsI(Na)方案具有明显的优势(低阈,大截面,适合3D测量,极好的n/分辨)可能是一个好的读破点,是我们重点研究方向.

谢谢