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高能所暗物质探测预研高能所暗物质探测预研——Very PreliminaryVery Preliminary

杨长根杨长根

DAMAdama

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第一个暗物质直接探测器（晶体）DAMA

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ExperimenExperimentt Target Type Target Type Status Status Site Site Nation NationANAIS NaI annual modulation construction Canfranc SpainDAMA/NaI NaI annual modulation concluded LNGS INFN-ITALYDAMA/LIBRA NaI annual modulation running LNGS INFN-ITALYDAMA/1 ton NaI annual modulation R&D LNGS INFN-ITALYNAIAD NaI PSD concluded Boulby UKHDMS Ge ionization concluded LNGS INFN-ITALYKIMS CsI PSD R&D Y2L KoreaCaf2-Kamioka CaF2 PSD running Kamioka JapanDAMA/Lxe LXe PSD running LNGS INFN-ITALYWARP LAr 2 phase running LNGS INFN-ITALYXENON 10 LXe 2 phase running LNGS INFN-ITALYZeplin II LXe 2 phase running Boulby UKZeplin III LXe 2 phase installation Boulby UKArDM LAr 2 phase R&D Canfranc SpainLUX LXe 2 phase R&D Dusel USACLEAN LNe PSD R&D USADEAP LAr PSD R&D SNOLAB(CANADA) USA XMASS LXe PSD construction Kamioka JapanCDMS Ge bolometer running Soudan USACRESST CaWO4 bolometer running LNGS INFN-ITALY-ItalyEDELWEISS Ge bolometer running Frejus FranceROSEBUD Ge, sap,tung bolometer R&D Canfranc SpainCOUPP F SH droplet R&D Fermilab USA PICASSO F SH droplet running+R&D SNOLAB CANADASIMPLE F SH droplet running+R&D Bas Bruit FranceDrift CS2 gas TPC R&D Boulby UKMIMAC 3He gas TPC R&D

已进行和正在进行的地下暗物质实验

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• 平衡点：① 实验的本底够低 ( 锦屏）；② 有自己特点；③ 阈能和探测器质量的兼顾：高纯锗 ~ 几公斤 <

液氙 ~100公斤 ( 有效质量） < 晶体 ~250公斤

④ 做一个快一些，价格低（快），技术相对成熟的实验

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晶体PMTs

Veto

液体

一个有创新性的方案（概念性设计）

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合适的光学耦合剂可以被找到

Properties LAr LXe NaI(TI) CsI(Tl) BGO

Density 1.4 3.1 3.67 4.51 7.1

Z(effective) 18 54 51 58 74

τ(ns) 10/1500 3/27 230 1000 300

Photo/MeV 4×104 2.5-7.8×104 4.3×104 6.5×104 2.8×104

R index (5893Å)

1.85 1.78 2.15

λ(nm) 125 178 415 565 480

CsI(Na) 的性能介绍•密度 4.51 g/cm3•辐射长度 1.85cm•峰值波长 420 nm •衰减时间 630 ns•折射率 1.7876•光子数 39000 /MeV

二碘甲烷 分子量 267.87 ， 密度： 3.3254g/m3 ，折射率： 1.7425 ，沸点： 180 度，熔点： 5 ～ 6℃ ，稳定性：稳定 MYCRO 公司进口折射率匹配液

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Single Scintillator (CsI (Na)) : 30cm*10cm*10cm

Total: 9

Gap:0.2mm

PMT: cylinder

Sensitivity radius: 4.5cm

Total : 9*6=54

Coverage: 63.4%

Gap: 0.1mm

Fill all of the gaps with the CH2I2 .

CH2I2 index: 1.74; attenuation length:1m; Wavelength range :200nm~800nm.

模拟计算

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改变 glass 折射率， PMT 后面的真空，光阴极的折射率等各种条件，到达光阴极区域的光子数及随折射率变化的曲线形状几乎一致。折射率很大时下降得不多。

加入光阴极量子效率，并且在玻璃折射率较低（ 1.458) 时，曲线后半部分才出现较大降低。

PMT 的光阴极角度响应使得当匹配液折射率较大时，收集到的光子数降低。

PMT glass n(1.78)

PMT glass n(1.458)

液体折射率（ Refractive Index)

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折射率（ Refractive Index<1.4)

光密 1.78

全反射临界角 nc

光在方形晶体里传输

对于较低折射率匹配液 (n<1.3) ，全反射临界角不到 45 度， nc~90-nc 之间的光将永远不可能跑出方形晶体。小于全反射角的入射光，越接近 nc ，被反射的几率要远高于透射几率，对1.3<n<1.45 ， nc~45 度，在接近这个角度的传输的光在方形晶体内也很难透射出去。折射率较接近光密介质（大于 1.5 以后）时， nc （大于 55 度）较大，所有的光非常容易透射出去。

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一定角度的入射光，当匹配液的折射率大于玻璃的折射率时，入射光经过低折射率的玻璃后相当于加大光子相对于光阴极的入射角。使得 PMT 的角度效应变得很严重；折射率相差越大，这个效应就越严重。这个是造成玻璃折射率 1.458 和 1.78 时两条曲线变化的主要原因。

所有折射率达到一定的值后（ 1.4 以后），是否完全匹配，对收集到的光影响不大。

glass(1.458)

光阴极

匹配液

PMT 的折射率影响

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其它的不均匀性

• 原因：晶体几何构造 +PMT 角度效应；匹配液折射率较低：晶体与液体之间存在较大的折射率差，一定角度向上（下）光子将在晶体上下面多次反射，造成中间晶体两端高度集中光子，从整个晶体外围来看，光子分布高度不均匀。

匹配液折射率与晶体接近：晶体界面对光子几乎没什么影响，光子各向同性传输。

结果：某些光子可能走的光程长，另外，更多的死区将变大。

球型的晶体最为理想

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事例位置的不均匀性

• 暗物质可能在 30cm*30cm*30cm 立方体任何位置发生碰撞，我们选择几个有代表性的事例发生点来看探测器的响应。

• 入射位置（ 0,0,0 ）探测器中心； （ 0,10,0 ）探测器一侧中心， （ 0,10,10 ）探测器一侧上部中心， （ 10,10,10 ）探测器一角。

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尽管事例的位置很不均匀

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(10,10,10)(0,10,10)

(0,10,0)(0,0,0)

但 PMT 的能量和是均匀的（ 6% ）

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• 几何： 9 个小晶体，每个小晶体的体积=(10*10*30cm) 。

• 没有 tyvek 和 98% 反射率的 tyvek

• 模拟了四个位置：（ 0,0,0),(10,0,0),(10,10,0),(10,10,10) cm

• 结论，有 tyvek 比没有 tyvek 要多 20% 的光子；有 tyvek 的均匀性比没有 tyvek 要好。

未被 PMT 覆盖的区域使用高反射材料

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Notyvek 9crystal

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98tyvek9crystal

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PMT 噪音造成的偶然符合率

调研 Hamamasu 低本底倍增管 ,Φ28mm 本底计数 <10s-1

。符合门宽开为 300ns ，

对于晶体方案：n--1 f= 540

n--2 f= 0.086

n--3 f=6.7e-06

N--4 f=3.4e-10

如果单个 PMT 的热噪声增加到 640hz

对于晶体方案：

n--4 f= 5.7e-03

n--5 f= 1.365e-05

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cm 0 10 20

Oil 14970 1452 442

CH2I2 14320 325 29

cm 0 10 20

Oil 6385 24 10

CH2I2 4910 4 0

KE=all 1KeV<KE<100KeV

Simulation events:100000

对于低能部分，统计量明显偏少；Oil density: 0.86g/cm^3; CH2I2 density:3.325g/cm^3;

作为被动防护层，密度大的 CH2I2 明显要好于密度小的 Oil 。对于 gamma 的穿透能力，这里并没有体现出很好的指数衰减规律，主要是因为 gamma 不是单方向的，在不同的位置还有不用的相对晶体的立体角。对于同一种防护层低： PMT 玻璃远离晶体一段，本底下降的非常快。

液体厚度的屏蔽性能

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晶体的事例识别

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CsI(Na)/CsI(Tl)/CaF2

分时间段，用不同的晶体进行测量

• 选用自旋无关（第一种）和自旋相关的晶体（第二种）可以对暗物质粒子进行自旋性质的测量；

• 如果发现暗物质，用两种不同材料的靶核子可以对暗物质粒子的质量进行测量；

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先进性和创新性1. 晶体是最简单的技术，也就是实验可以很快实行（没有技术难点）；2. 把晶体泡到液体里做测量；3. 通过选取合适折射率的液体，可以把多块晶体叠合在一起做测量，从而

可以把探测器质量做大（ ~ 吨级 60x60x60cm^3 ）；4. 液体屏蔽层的使用可以极大的减小外部材料放射性的影响，包括 PMT 放

射性的影响 ;

5. 多个 PMT 信号的符合测量可以减小 PMT 放射性的影响；6. 主要的本底将是晶体本身的本底 , 可以通过脉冲波形甄别的方法压低；7. 4π 立体角的 PMT 读出能够给出更高的光信号（比 DAMA 更好），从而

使探测器能量测量的阈值更低（ ~1keVr ，低于液氙 / 液氩探测器），能量分辨更好 ;

8. PMT 不能覆盖的区域使用高反射材料；9. 可以方便地替换不同的晶体 , 对暗物质的特性进行测量。

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一个晶体探测小模型正在构建中

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Xe Ge LS Ar

DM x x - xDBD x x - -Solar ν x ? x xSN - - x xp-decay - - x xLBL - - - x

加入 DarkSide 合作组，开始液氩探测器预研

DM ：暗物质探测DBD ：双贝塔衰变Solarν ：太阳中微子测量SN ：超新星中微子测量P-decay ：质子衰变LBL ：长基线中微子测量

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一个液氩探测小模型正在构建中

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谢谢！谢谢！