DAMADAMA 实验新进展实验新进展

马欣华2011 年 3 月 18 日

21 世纪第二个十年的宇宙学研讨会

DAMA/R&DDAMA/LXe low bckg DAMA/Ge for sampling meas.

DAMA/NaI

DAMA/LIBRA

http://people.roma2.infn.it/dama

Roma2,Roma1,LNGS,IHEP/Beijing+ by-products and small scale expts.: INR-Kiev, Ukraine+ neutron meas.: ENEA-Frascati+ in some studies on decays (DST-MAE project): IIT Kharagpur, India

1400m rock coverage, 3000m.e.w.

中国、意大利合作，中国、意大利合作， 19921992 至今，至今， 2020年年

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

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：1. 呈 cosine 函数2. 周期一年3. 初相位（极大值处）约为六月二号4. 调制幅度≤ 7% （ halo 分布的要求）5. 单击中事例6. 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。

• vsun ~ 232 km/s (Sun velocity in the halo)• vorb = 30 km/s (Earth velocity around the Sun)• = /3• = 2/T T = 1 year• t0 = 2nd June (when v is maximum)

DAMA/NaI+LIBRA ：年调制，模型无关

v(t) = vsun + vorb coscos[(t-t0)]

)](cos[ 0,,0 ttSSS kmkk

December 230 km/s

~ 232 km/s60°

June 230 km/s

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)

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，模型无关我们周围到处都有暗物质，能做直接探测

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

多层屏蔽Glove-box forcalibration

Electronics + DAQ

InstallationGlove-box forcalibration

Electronics + DAQ

Installation

检测 / 预警系统

三级HPN2 排除氡

在低能区、高能区都作了精细标定

在阈能附近的噪音去除PMT 噪音和闪烁信号时间特征不同，衰减分别为~x10ns,240ns

PMT noise

Scintillation event

1

2

Area (from 100 ns to 600 ns)X = ;Area (from 0 ns to 600 ns)Area (from 0 ns to 50 ns)X =

Area (from 0 ns to 600 ns)

PSD 去除噪音是在数据分析中唯一采用的步骤2-4 keV

X2

X2 X2

X2X1

X1 X1

X1

4-6 keV

Single-hit production

data source

Scintillation pulsesPMT noise

2-5 keV

2-6 keV

A=(0.0183±0.0022) cpd/kg/keV2/dof = 75.7/79 8.3 C.L.

2-4 keV

A=(0.0144±0.0016) cpd/kg/keV

2/dof = 56.6/79 9.0 C.L.

A=(0.0114±0.0013) cpd/kg/keV

2/dof = 64.7/79 8.8 C.L.

Acos[(t-t0)] ; continuous lines: t0 = 152.5 d, T = 1.00 y

single-hit: 2-6keV 模型无关年调制结果single-hit events

(0.15 0.15) 10-2 Hz

-(0.052 0.039) Bq/m3

(0.0018 0.0074) mbar

-(0.05 0.24) l/h

(0.0004 0.0047) °C

DAMA/LIBRA-4

(0.03 0.14) 10-2 Hz

(0.021 0.037) Bq/m3

-(0.08 0.12) 10-2 mbar

-(0.01 0.21) l/h

(0.0001 0.0036) °C

DAMA/LIBRA-5

-(0.03 0.20) 10-2 Hz

(0.015 0.029) Bq/m3

(0.022 0.027) mbar

-(0.07 0.18) l/h

(0.001 0.015) °C

DAMA/LIBRA-3

-(0.028 0.036) Bq/m3-(0.030 0.027) Bq/m3-(0.029 0.029) Bq/m3Radon

(0.07 0.13) 10-2 mbar-(0.013 0.025) mbar(0.015 0.030) mbarPressure

-(0.01 0.15) l/h(0.10 0.25) l/h(0.13 0.22) l/hFlux N2

(0.08 0.11) 10-2 Hz(0.09 0.17) 10-2 Hz-(0.20 0.18) 10-2 HzHardware rate above single

photoelectron

(0.0007 0.0059) °C(0.0026 0.0086) °C-(0.0001 0.0061) °CTemperature

DAMA/LIBRA-6DAMA/LIBRA-2DAMA/LIBRA-1

(0.15 0.15) 10-2 Hz

-(0.052 0.039) Bq/m3

(0.0018 0.0074) mbar

-(0.05 0.24) l/h

(0.0004 0.0047) °C

DAMA/LIBRA-4

(0.03 0.14) 10-2 Hz

(0.021 0.037) Bq/m3

-(0.08 0.12) 10-2 mbar

-(0.01 0.21) l/h

(0.0001 0.0036) °C

DAMA/LIBRA-5

-(0.03 0.20) 10-2 Hz

(0.015 0.029) Bq/m3

(0.022 0.027) mbar

-(0.07 0.18) l/h

(0.001 0.015) °C

DAMA/LIBRA-3

-(0.028 0.036) Bq/m3-(0.030 0.027) Bq/m3-(0.029 0.029) Bq/m3Radon

(0.07 0.13) 10-2 mbar-(0.013 0.025) mbar(0.015 0.030) mbarPressure

-(0.01 0.15) l/h(0.10 0.25) l/h(0.13 0.22) l/hFlux N2

(0.08 0.11) 10-2 Hz(0.09 0.17) 10-2 Hz-(0.20 0.18) 10-2 HzHardware rate above single

photoelectron

(0.0007 0.0059) °C(0.0026 0.0086) °C-(0.0001 0.0061) °CTemperature

DAMA/LIBRA-6DAMA/LIBRA-2DAMA/LIBRA-1

运行稳定性

各个参量变化很小，对年调制没有贡献

Source Main comment Cautious upperlimit (90%C.L.)

RADON Sealed Cu box in HP Nitrogen atmosphere, <2.510-6 cpd/kg/keV3-level of sealing, etc.

TEMPERATURE Installation is air conditioned+detectors in Cu housings directly in contact <10-4 cpd/kg/keVwith multi-ton shield huge heat capacity

+ T continuously recordedNOISE Effective full noise rejection near threshold <10-4 cpd/kg/keV ENERGY SCALE Routine + instrinsic calibrations <1-2 10-4 cpd/kg/keVEFFICIENCIES 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 <310-5 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

系统误差以及边界反应的研究

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？

• 经过计算， I128 的影响( 红线 ) 与调制信号 ( 黑线 ) 相比很小

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 <310-5 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

DAMA/NaI+LIBRA ：年调制，模型无关

single-hit ： >6keV没有年调制信号

single-hit: 2-6keV 8.8σ，满足全部六大暗物质年调制特征

multiple-hits: 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

系统误差以及边界反应不可能对年调制结果造成影响

WIMP: SI

Evans power law15 GeV 100-120 GeV

N.F.W.

WIMP: SI & SD

Evans power law15 GeV 100 GeV

N.F.W.

LDM, bosonic DM

mL=0

θ = 2.435

年调制信号的物理解释：与多种理论模型相一致，比如

W has two mass states + , - with mass splitting

Kinematical constraint for iDM12v2 v vthr

2

DAMA/NaI+DAMA/LIBRASlices 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

iDM interaction on Iodine nuclei

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+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 5.5-7.5ph.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

升级后的亮点 :

• 新 PMT 有更高的量子效率，从 5.5-7.5ph.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。

升级后的亮点以及预计新的结果COGENT,

1002.4703v1

阈能 0.5keV ，事例率 0.2count/keV/day/kg

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