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高能所暗物质探测预研
—Very Preliminary
杨长根
1
第一个暗物质直接探测器（晶体）
DAMA
DAMAdama
2
3
已进行和正在进行的地下暗物质实验
Experiment
Target
ANAIS
NaI
DAMA/NaI
NaI
DAMA/LIBRA
NaI
DAMA/1 ton
NaI
NAIAD
NaI
HDMS
Ge
KIMS
CsI
Caf2-Kamioka
CaF2
DAMA/Lxe
LXe
WARP
LAr
XENON 10
LXe
Zeplin II
LXe
Zeplin III
LXe
ArDM
LAr
LUX
LXe
CLEAN
LNe
DEAP
LAr
XMASS
LXe
CDMS
Ge
CRESST
CaWO4
EDELWEISS
Ge
ROSEBUD Ge, sap,tung
COUPP
F
PICASSO
F
SIMPLE
F
Drift
CS2 gas
3He gas
MIMAC
Type
annual modulation
annual modulation
annual modulation
annual modulation
PSD
ionization
PSD
PSD
PSD
2 phase
2 phase
2 phase
2 phase
2 phase
2 phase
PSD
PSD
PSD
bolometer
bolometer
bolometer
bolometer
SH droplet
SH droplet
SH droplet
TPC
TPC
Status
Site
construction
Canfranc
concluded
LNGS
running
LNGS
R&D
LNGS
concluded
Boulby
concluded
LNGS
R&D
Y2L
running
Kamioka
running
LNGS
running
LNGS
running
LNGS
running
Boulby
installation
Boulby
R&D
Canfranc
R&D
Dusel
R&D
R&D
SNOLAB(CANADA)
construction
running
Soudan
running
LNGS
running
Frejus
R&D
Canfranc
R&D
Fermilab
running+R&D
SNOLAB
running+R&D
Bas Bruit
R&D
Boulby
R&D
Nation
Spain
INFN-ITALY
INFN-ITALY
INFN-ITALY
UK
INFN-ITALY
Korea
Japan
INFN-ITALY
INFN-ITALY
INFN-ITALY
UK
UK
Spain
USA
USA
USA
Kamioka
Japan
USA
INFN-ITALY-Italy
France
Spain
USA
CANADA
France
UK
• 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
5
一个有创新性的方案（概念性设计）
Veto
晶体
PMTs
液体
6
合适的光学耦合剂可以被找到
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
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
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
4.3×10
6.5×104
2.8×104
1.85
1.78
2.15
415
565
480
R index
(5893Å)
λ(nm)
125
178
4
7
模拟计算
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.
8
液体折射率（Refractive Index)
PMT glass n(1.78)
PMT glass n(1.458)
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。
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。
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。
9
折射率（Refractive Index<1.4)
光密1.78
光在方形晶体里传输
全反射临界角nc
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。
10
PMT的折射率影响
光
阴
极
匹
配
液
glass(1.458)
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。
11
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
14
但PMT的能量和是均匀的（6%）
(0,0,0)
(0,10,0)
(0,10,10)
(10,10,10)
15
未被PMT覆盖的区域使用高反射材料
• 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。
16
Notyvek 9crystal
17
98tyvek9crystal
18
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
19
液体厚度的屏蔽性能
KE=all
cm
1KeV<KE<100KeV
0
10
20
Oil
14970
1452
442
CH2I2
14320
325
29
cm
0
10
20
Oil
6385
24
10
CH2I2
4910
4
0
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。
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晶体的事例识别
21
分时间段，用不同的晶体进行测量
CsI(Na)/CsI(Tl)/CaF2
• 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。
23
一个晶体探测小模型正在构建中
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加入DarkSide合作组，开始液氩探测器预研
DM
DBD
Solar ν x
SN
p-decay
LBL
Xe
Ge
LS
Ar
x
x
x
x
-
x
-
?
-
x
-
x
x
x
-
x
x
x
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！
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