马欣华 2011年3月18日 21世纪第二个十年的宇宙学研讨会

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1 马欣华 2011年3月18日 21世纪第二个十年的宇宙学研讨会
DAMA实验新进展 马欣华 2011年3月18日 21世纪第二个十年的宇宙学研讨会

2 DAMA: an observatory for rare processes @LNGS
中国、意大利合作，1992至今，20年 Roma2,Roma1,LNGS,IHEP/Beijing + by-products and small scale expts.: INR-Kiev, Ukraine + neutron meas.: ENEA-Frascati + in some studies on bb decays (DST-MAE project): IIT Kharagpur, India DAMA: an observatory for rare DAMA/R&D DAMA/LXe low bckg DAMA/Ge for sampling meas. DAMA/NaI DAMA/LIBRA 1400m rock coverage, 3000m.e.w.

3 内容 DAMA/NaI+LIBRA 实验原理 实验设置 实验结果 下一步计划

4 DAMA/NaI+LIBRA ：年调制，模型无关
地球可看作天然的回旋器，造成暗物质信号的周期性调制变化，暗物质信号的年周期调制必然具有六个重要的特征： 呈cosine 函数 周期一年 初相位（极大值处）约为六月二号 调制幅度≤7%（halo分布的要求） 单击中事例 低能区的事例 这六个重要的特征是本底所不全具备的，因而据此可把 暗物质和本底区分开。 对探测系统的要求： 低放射性、低本底、低探测阈能、高灵敏度、大规模、长期观测与长期稳定性。 December 2 30 km/s ~ 232 km/s 60° June 2 vsun ~ 232 km/s (Sun velocity in the halo) vorb = 30 km/s (Earth velocity around the Sun)  = p/3 w = 2p/T T = 1 year t0 = 2nd June (when v is maximum) Bernabei_NOVE2008 v(t) = vsun + vorb cosgcos[w(t-t0)]

5 DAMA/NaI+LIBRA 既对重质量暗物质敏感(I)，又对轻质量暗物质敏感(Na) 我们周围到处都有暗物质，能做直接探测
晶体可以得到所有的信号(核反冲 ,电子反冲,电磁辐射) 年调制，模型无关

6 NaI(Tl)晶体探测器 5×5 modules array 每个module 9.7kg 低本底NaI(Tl) 2×石英光导 2×PMT

7 多层屏蔽 在低能区、高能区都作了精细标定 检测/预警系统 三级HPN2 排除氡

8 Single-hit production data
在阈能附近的噪音去除 PMT noise Scintillation event PMT噪音和闪烁信号时间特征不同，衰减分别为~x10ns,240ns 2-4 keV X2 X1 4-6 keV Single-hit production data g source Scintillation pulses PMT noise PSD去除噪音是在数据分析中唯一采用的步骤

9 single-hit: 2-6keV模型无关年调制结果
Acos[w(t-t0)] ; continuous lines: t0 = d, T = 1.00 y single-hit events 2-4 keV A=(0.0183±0.0022) cpd/kg/keV 2/dof = 75.7/  C.L. 2-5 keV A=(0.0144±0.0016) cpd/kg/keV 2/dof = 56.6/  C.L. 2-6 keV A=(0.0114±0.0013) cpd/kg/keV 2/dof = 64.7/  C.L.

10 运行稳定性 各个参量变化很小，对年调制没有贡献

11 系统误差以及边界反应的研究 Source Main comment Cautious upper limit (90%C.L.)
RADON Sealed Cu box in HP Nitrogen atmosphere, <2.510-6 cpd/kg/keV 3-level of sealing, etc. TEMPERATURE Installation is air conditioned+ detectors in Cu housings directly in contact <10-4 cpd/kg/keV with multi-ton shield huge heat capacity + T continuously recorded NOISE Effective full noise rejection near threshold <10-4 cpd/kg/keV ENERGY SCALE Routine + instrinsic calibrations <1-2 10-4 cpd/kg/keV EFFICIENCIES Regularly measured by dedicated calibrations <10-4 cpd/kg/keV BACKGROUND No modulation above 6 keV; no modulation in the (2-6) keV <10-4 cpd/kg/keV multiple-hits events; this limit includes all possible sources of background SIDE REACTIONS Muon flux variation measured at LNGS <310-5 cpd/kg/keV 而且，都不满足年调制的六大特征 不可能对年调制结果造成影响

12 I128的影响 有人提出I128俘获环境中子，从而产生低能X-rays/Auger electrons,可能对调制产生影响？

13 边界反应：宇宙线μ子的影响 MACRO,LVD,Borexino看到了地下宇宙线μ子流强的幅度约为2%年调制变化，而且LVD相位是July 15th(185 ±15days)(显著性>5σ),这是与地球大气温度变化相符合的。比较而言，DAMA相位是May 26th(146±7days)，是与地球速度矢量变化相符合的。两者相差5.6σ。 LVD: July 15th, (185 ± 15)days DAMA: May 26th, (146 ± 7)days 估算得到μ子造成的年调制上限为<310-5 cpd/kg/keV <<年调制量 single-hit: 年调制只在低能段测到,而没有在>6keV测到 multiple-hits: 没有测到年调制

14 系统误差以及边界反应不可能对年调制结果造成影响
DAMA/NaI+LIBRA ：年调制，模型无关 single-hit: 2-6keV 8.8σ，满足全部六大暗物质年调制特征 系统误差以及边界反应不可能对年调制结果造成影响 multiple-hits: 没有年调制信号 single-hit：>6keV没有年调制信号 各稳定性参量变化很小，对年调制没有贡献

15 年调制信号的物理解释：与多种理论模型相一致，比如
WIMP: SI 15 GeV GeV Evans power law N.F.W. WIMP: SI & SD θ = 2.435 100 GeV 15 GeV Evans power law N.F.W. LDM, bosonic DM mL=0

16 Slices from the 3-dimensional allowed volume
年调制信号的物理解释：与多种理论模型相一致，比如iDM DAMA/NaI+DAMA/LIBRA Slices from the 3-dimensional allowed volume In the Inelastic DM (iDM) scenario, WIMPs scatter into an excited state, split from the ground state by an energy comparable to the available kinetic energy of a Galactic WIMP.  - + N  + + N  W has two mass states + , - with  mass splitting  Kinematical constraint for iDM iDM interaction on Iodine nuclei

17 DAMA/NaI+LIBRA性能 探测器规模 较大，250 kg 稳定性 好的长期稳定性, 多年连续、安全、可靠的运行 低本底晶体
U-238、Th-232、K-40 达到1 ppt 低本底环境 在深层地下,加上各种屏蔽，并且对运行条件严格控制 低本底 1 event/kg.day.keV at 2 keVee 2010年硬件更新前 2010年硬件更新后 高光产额 ph.e./keV(PMT QE~30%) 7-10ph.e./keV(PMT QE~40%) 高信噪比 1ph.e. ~ 0.2keVee 1ph.e. ~ 0.1keVee 低探测阈能 10σ~ 2keVee 5-10σ ~ 0.5-1keVee

18 阈能0.5keV，事例率0.2count/keV/day/kg
COGENT, v1 not-official 升级后的亮点以及预计新的结果 阈能0.5keV，事例率0.2count/keV/day/kg 升级后的亮点: 新PMT有更高的量子效率，从 ph.e./keV提高到约10ph.e./keV，更低的探测阈能,噪声1ph.e.(1sigma)，那末探测阈能理想值能达到0.1keV，实验上完全有把握使阈能降到0.5keV相当于5ph.e.(5sigma)，为探测低质量暗物质提供了重要条件。 DAMA探测器具有现有暗物质实验中最低的放射性本底(U-238、Th-232、K-40 等 达到1 ppt)，而新PMT有更低的放射性，这样DAMA探测器的本底会更低 在低能区依然保持较强的channeling效应(Quenching factor~1)， 依然是较大规模(250kg)、长期稳定运行，这是保证观测成功的重要条件。

19 DAMA/LIBRA 下一步工作 继续运行，分析新的数据，预期在低质量暗物质(LWIMP和axion-like)观测将有新结果，并且可对各种暗物质物理模型给出更强的限定，研究二级效应 R&D towards a possible 1 TON ULB NaI(Tl) set-up experiment DAMA 谢谢