暗物质探测的物理意义

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。
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》
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。
测量时间: – 1619418 sec (18.7days)
CsI 晶体内部放射性
Cs 同位素活度
• Cs 同位素衰变分支
Gsoaumrmcea Cs-134 Cs-137
Energy (KeV) Intensity(%)
604
98.20
795
85.79
662
94.40
Counts 1305 1085 242
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)
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
能量阈值可以达到 ～100eV水平！
AiTi
Tbar i
Ai
i
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
电子学与数据获取系统框图
Ge Detector Pre-amp
Amplifier
CsI Detector
Amplifier
Signal Inhibit High Gain Low Gain
CsI Signal
FADC
GEANT4
Linux System
ROOT
CsI(Tl)晶体反康普顿探测器
HV 选择 -1300V(Cs-137662keV)
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%
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
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)Байду номын сангаас
ES0269
银河系
4314
银河系
宇宙中存在大量暗物质！
0.73 0.04 matter 0.27 0.04 visible matter 0.005 matter 1.02 0.02
暗物质探测方法
正在进行和建设的 暗物质直接探测实验
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
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
Ge 探测器刻度
Limited by threshold
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。
探测器性能测试
Source :
– Fe-55 – Ti target
X-ray:
– Mn: 5.899 & 6.490keV – Ti: 4.505 & 4.932keV – Ca: 3.688keV
Signal information:
– Sumtotal – Pedestal
DAQ based on Linux system
VME CONTROLLER
- USB2 INTERFACE - OPTIONAL Transfer - 10 Mbytes/s data transfer
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
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 )
Efficiency(%)
2.82±0.02 2.63±0.02 2.78±0.02
探测器系统安装 (2005年3月)