地下暗物质粒子探测的研究

NaI annual modulation construction Canfranc
Spain
DAMA/NaI
NaI annual modulation concluded
LNGS
INFN-ITALY
DAMA/LIBRA NaI annual modulation running
LNGS
INFN-ITALY
Gran Sasso (1400 m depth) natXe 5.4 kg (tot: 15 kg) 136 kg day
Double-Phase Noble Liquids LXe (结论小体积探测）
1. 必须Double-Phase测量 2. 粒子鉴别能力不够 3. 大体积闪烁光立体角减少,探测阈增大 4. 如何解决侧面光探测问题 5. 漂移电子测量可以减少2~3量级本底
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:
• Easy fabrication and handling
<Sp> Cs-133 -0.370 I-127 0.309 Na-23 0.248
<Sn> 0.003 0.075 0.019
CsI(Tl)
Photons/MeV
~60,000
Density(g/cm3)
4.53
Decay Time(ns) ~1050
France
Drift MIMAC
CS2 gas 3He gas
TPC TPC
R&D R&D
Boulby
UK
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)
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 =
1,大晶体(外围PMT阵列) 引入Noble Liquids 大尺寸的3D测量,增加功能:
1) 标记产生表层(2Cm)事例,减少外来本底 (<50KeV,2~3个量级)
2) 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)
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
Double-Phase Noble Liquids LAr (结论小体积探测）
1. 可以不用Double-Phase测量 2. 粒子鉴别能力强 3. 大体积难兼顾Double-Phase测量 4. 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
Peak emission(nm) 550
Hygroscopicity
slight
NaI(Tl) ~40,000
3.67 ~230
415 strong
Pulse Shape Discrimination
t Aiti Ai
4<E<10 keV
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.
PSD PSD
running running
Kamioka
Japan
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
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 DAMA/LXe LXe
liquid Ar
Volume for shielding Fiducial volume
Scintillation and Ionization read out
THGEM+ LM
Fiducial Volume
87 K
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－ArDM
Double-Phase Noble Liquids LAr
tagged γ( 22Na)
Fprompt=Q(<150ns)/Q
Time ns
Neutron (AmBe)
Ar39的连续谱问题
地下暗物质探测器LAr（或LXe）方案
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
Double-Phase Noble Liquids LXe－XENON10
Recent results of a liquid noble gas experiment: XENON10
Experimental site: Target material: Target mass: Used exposure:
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
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%。
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
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
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
(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中的平均作用(总截面)路程 中子在晶体CsI中平均作用2次的飞行时间
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.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%)
LXe
PSD
construction Kamioka Japan
CDMS
Ge
bolometer
running
Soudan
USA
CRESST
CaWO4 bolometer
EDELWEISS Ge
bolometer
running running
LNGS INFN-ITALY-Italy
Frejus
France
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
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
ASS
• 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)