中韩合作研究项目 中韩合作研究项目 WIMPWIMP 暗物质实验探测暗物质实验探测 Tsinghua Li jinTsinghua Li jin 暗物质探测研究的物理意义暗物质探测研究的物理意义 中韩合作研究项目中韩合作研究项目 研究计划—研究计划—极低能量阈极低能量阈 HPGeHPGe 探测器实探测器实验探测验探测 WIMPWIMP 总结总结

暗物质探测的物理意义暗物质探测的物理意义 19331933 年，年， Zwicky 发现了“暗物质” 暗物质存在的直接证据来自对银河暗物质存在的直接证据来自对银河 系等漩涡星系的观测系等漩涡星系的观测

Fritz Zwicky(1898-1974)

ES0269 银河系 4314

银河系银河系

宇宙中存在大量暗物质！宇宙中存在大量暗物质！

02.002.1

005.0

04.027.004.073.0

matter

mattervisible

matter

暗物质探测研究的重要意义暗物质探测研究的重要意义 宇宙物质构成中，宇宙物质构成中， 9090 ％以上是暗物质，拥有％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的构成、性质、分布、运动状态等等却无从得知。得知。 暗物质探测研究已经成为当前粒子物理、天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。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。 等研究领域列为重点资助范围。

正在进行和建设的暗物质直接探测实验

暗物质探测方法

韩国暗物质研究中心韩国暗物质研究中心WIMPWIMP 暗物质探测计划暗物质探测计划 20002000 年启动、极低本底年启动、极低本底 CsI(Tl)CsI(Tl) 晶体探晶体探测器、地下测器、地下 700m700m 实验室、液闪反符实验室、液闪反符合探测器、被动屏蔽体、合探测器、被动屏蔽体、 500MHz FAD500MHz FADCC 电子学系统…电子学系统… 清华大学从清华大学从 20022002 年开始就积极参与了年开始就积极参与了该实验计划的研究工作：该实验计划的研究工作：极低本底极低本底 CsICsI(Tl)(Tl) 晶体研究、反冲核特性研究、晶体研究、反冲核特性研究、地下地下实验室宇宙线实验室宇宙线子本底通量及位置分辨子本底通量及位置分辨研究、中子本底研究等研究、中子本底研究等 20042004 年年启动了一项新的研究计划启动了一项新的研究计划 《极低能量阈《极低能量阈 HPGeHPGe 探测器测量探测器测量 WIMPWIMP 》》

极低能量阈极低能量阈 HPGeHPGe 探测器测量探测器测量 WIMPWIMP项目的提出： 项目的提出： 我经过几个月的理论准备和计我经过几个月的理论准备和计算，于算，于 20042004 年年 11 月在韩国月在韩国 KIKIMSMS 合作组会议上提出，利用合作组会议上提出，利用低能量阈高纯锗探测器实验测低能量阈高纯锗探测器实验测量低质量区的暗物质量低质量区的暗物质 WIMPWIMP ，，主要研究区域集中在主要研究区域集中在 10GeV/10GeV/cc22 以下区域，得到大陆、台湾以下区域，得到大陆、台湾及韩国同行的肯定，并专门组及韩国同行的肯定，并专门组织讨论会就这一问题进行讨论，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决定成立由清华大学负责的合作组推进这一实验计划。作组推进这一实验计划。

Limited by thresholdLimited by threshold

探测器探测器 实验计划采用实验计划采用 重为重为 1kg1kg 的低能的低能 量阈高纯锗探测量阈高纯锗探测 器来直接探测器来直接探测 WIMPWIMP 暗物质暗物质 第一步对质量为第一步对质量为 5g5g 的的 HPGeHPGe 探测器单元进行探测器单元进行实验研究，得到实验研究，得到 5g5g靶质量探测器的暗物质探靶质量探测器的暗物质探测能力。测能力。 外部屏蔽体采用主动与被动屏蔽体相结合的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。方式来对主探测器进行屏蔽。

探测器性能测试探测器性能测试 能量阈值可以达到能量阈值可以达到 ～～ 100eV100eV水平！水平！

ii

iii

A

TATbar

电子学系统与数据获取系统电子学系统与数据获取系统6464MHz MHz FADC FADC

DIGITIZERDIGITIZER- 2 CHANNELS / BOARD2 CHANNELS / BOARD- 100100us us

RECORDED/EVENTRECORDED/EVENT- Programmable triggerProgrammable trigger logic & optional zero logic & optional zero suppression on-boardsuppression on-board

VME CONTROLLER- USB2 INTERFACE- OPTIONAL Transfer- 10 Mbytes/s data transfer

DAQ based on Linux system

屏蔽体结构屏蔽体结构 主要屏蔽目标主要屏蔽目标 ::

– Cosmic rayCosmic ray– GammaGamma

屏蔽体屏蔽体 ::– 15 cm lead15 cm lead– 5cm copper5cm copper– CsI veto detectorCsI veto detector

电子学与数据获取系统框图电子学与数据获取系统框图

ROOTGEANT4

Ge Detector Pre-amp Amplifier

Signal Inhibit

High Gain

Low Gain

CsI Detector Amplifier CsI Signal

FAD

C

Linux System

CsI(Tl)CsI(Tl) 晶体反康普顿探测器晶体反康普顿探测器 HV HV 选择选择--1300V(Cs-137662keV)1300V(Cs-137662keV) 考虑考虑 CsICsI 探测器的阈值，探测器的阈值，HVHV 会适当提高会适当提高 源位置依赖源位置依赖

– Axial (One PMT)Axial (One PMT)– Angular (Hole)Angular (Hole)

CsICsI 探测器信号幅度对源位置的依赖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

探测器对源位置的依赖性探测器对源位置的依赖性

光电峰位置光电峰位置– 底部晶体光输出约为顶部晶体光输出的底部晶体光输出约为顶部晶体光输出的 70%70% – 各处位置分辨好于各处位置分辨好于 2020 ％， 最好处约为％， 最好处约为 14%14%

CsI CsI 晶体内部放射性晶体内部放射性 在在 Y2LY2L 地下实验室利用低本底地下实验室利用低本底HPGe HPGe 探测器测量探测器测量 CsICsI 本底本底

– 15cm Pb15cm Pb– 10cm Cu10cm Cu– 1 L/min N1 L/min N22 flow flow

被测被测 CsI CsI 晶体尺度（底部）晶体尺度（底部）– R=45mmR=45mm– H=20mmH=20mm– weight 2.374Kgweight 2.374Kg

测量时间测量时间 : : – 1619418 sec (18.7days)1619418 sec (18.7days)

CsI CsI 晶体内部放射性晶体内部放射性

Cs Cs 同位素活度同位素活度

含量放射性同位素含量含量放射性同位素含量 ::– Cs 134:Cs 134:

(1.07 (1.07 ± 0.01± 0.01) E+03 counts/(Kg*day) ) E+03 counts/(Kg*day) – Cs137: Cs137:

(2.077 (2.077 ± 0.03± 0.03) E+02 counts/(Kg*day) E+02 counts/(Kg*day ) )

Gamma Gamma sourcesource Energy (KeV)Energy (KeV) Intensity(%)Intensity(%) CountsCounts Efficiency(%)Efficiency(%)

Cs-134Cs-134604604 98.2098.20 13051305 2.822.82±0.02±0.02795795 85.7985.79 10851085 2.632.63±0.02±0.02

Cs-137Cs-137 662662 94.4094.40 242242 2.782.78±0.02±0.02

• Cs 同位素衰变分支

探测器系统安装 探测器系统安装 (2005(2005 年年 33月月 )) ULE-Ge detector:ULE-Ge detector:

– H.V.: -500VH.V.: -500V– Gain: 100x 0.72Gain: 100x 0.72– Shaping time: 6 usShaping time: 6 us– Range: 0~55keVRange: 0~55keV

CsI detector:CsI detector:– H.V.: -1300VH.V.: -1300V– Gain: 10xGain: 10x

N2 flow: 1 liter/minN2 flow: 1 liter/min

Ge Ge 探测器刻度探测器刻度 Source :Source :

– Fe-55Fe-55– Ti targetTi target

X-ray:X-ray:– Mn: 5.899 & 6.490keVMn: 5.899 & 6.490keV– Ti: 4.505 & Ti: 4.505 &

4.932keV4.932keV– Ca: 3.688keVCa: 3.688keV

Signal information:Signal information:– SumSumtotaltotal – Pedestal – Pedestal

HPGeHPGe 探测器刻度探测器刻度•Sumtotal - Pedestal

Peak resolution: (Fe-55)

Energy (keV)Energy (keV) 5.8995.899 6.4906.490

Result (keV)Result (keV) 5.89770e+005.89770e+00 6.49145e+006.49145e+00

Sigma (keV)Sigma (keV) 6.27309e-026.27309e-02 6.54992e-026.54992e-02

Nice Linearity !

CsICsI 晶体探测器刻度晶体探测器刻度Source :

Na-22 (0.511 & 1.275MeV)Mn-54 (0.835MeV).

Signal information:Sum – Pedestal

本底运行数据本底运行数据

Ge Ge 内部放射性内部放射性Energy 10.3keV ( 268 events)

Energy 1.3keV (about 20 events)

Possible candidates:

1. 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:

Electron Electron IdentityIdentity

Energy Energy (keV)(keV)

1s1s 10.36710.367

2s2s 1.3021.302

Good energy calibration !

Ge Ge 内部放射性本底的衰变内部放射性本底的衰变 对于对于 10.3KeV X10.3KeV X 射线，射线，计数率在衰减，半衰期计数率在衰减，半衰期约为约为 8 8 天天 对于对于 1.3KeV X1.3KeV X 射线射线 , , 未未发现明显的衰变现象发现明显的衰变现象 需要更多的数据来研究需要更多的数据来研究

GeGe 探测器能量阈探测器能量阈 (No PSD)(No PSD)

CsI(Tl)CsI(Tl) 探测器能量阈 探测器能量阈 (No PSD)(No PSD)

探测器本底水平和屏蔽效果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%

实验结果讨论实验结果讨论 第一个探测器单元已经在运行（质量为第一个探测器单元已经在运行（质量为 5g5g）） HPGeHPGe 探测器能量阈探测器能量阈 265eV265eV ，好于预期，利用，好于预期，利用PSDPSD 等方法，能有进一步降低的空间，希望可等方法，能有进一步降低的空间，希望可以达到以达到 100eV100eV 。。 本底计数率水平约为本底计数率水平约为 130cpd130cpd，下一阶段，需，下一阶段，需要在更多实验数据的基础上，结合要在更多实验数据的基础上，结合 MCMC模拟结模拟结果，研究本地来源，降低本底计数。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。质也在讨论中。

预期实验结果预期实验结果条件：条件： Target mass: 5gTarget mass: 5g QF: 0.25QF: 0.25 Counts rate: 1 /keVCounts rate: 1 /keV·kg·day·kg·day Threshold: 100 eVThreshold: 100 eV

升级到升级到 1kg Ge1kg Ge 200 detector array200 detector array

小结小结 暗物质探测和研究是粒子物理学、宇宙学等领域的前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。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，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，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。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。量区国际上最好的暗物质研究物理结果。

Thanks!Thanks!