DAMA实验进展.ppt

DAMA实验进展马欣华2010年12月15日中国科学院理论物理研究所冬季研讨会内容•DAMA介绍•DAMA/NaI+LIBRA–实验原理–实验设置–实验结果–下一步计划•启示和展望国家级的实验室：国家级的实验室：LNGS (Gran Sasso National Laboratory)1987年建成至今已经年建成至今已经23年，年，17300m2实验区，实验区，当前当前15家实验（已完成家实验（已完成15个），个），30个国家，个国家，900多研究者，多研究者，暗物质暗物质,中微子中微子(双双β, 长基基线, 太阳太阳, 大气大气, 天文学天文学), 核天体物理核天体物理,地球物理等地球物理等DAMA/R&DDAMA/LXelow bckg DAMA/Ge for sampling meas.DAMA/NaIDAMA/LIBRAhttp://people.roma2.infn.it/damaRoma2,Roma1,LNGS,IHEP/Beijing+ by-products and small scale expts.: INR-Kiev, Ukraine+ neutron meas.: ENEA-Frascati+ in some studies on bb decays (DST-MAE project): IIT Kharagpur, India1400m rock coverage, 3000m.e.w. DAMA的研究领域: rare processes•DAMA/NaI+LIBRA–Dark Matter particles–axions from the Sun –SIMP –Q-balls –PEP(Pauli exclusion principle )-violating processes–CNC(charge-non-conserving) processes–superdense nuclear state –spontaneous emission of heavy clusters in 127I •DAMA/LXe:–quenching factor –Dark Matter particles –double beta decay modes in 136Xe, 134Xe–nucleon, di-nucleon and tri-nucleon decay into invisible channels–CNC processes•DAMA/R&D : CaF2(Eu), CeF3, BaF2, Cd106 , CdWO4, LaCl3:Ce, CeCl3, ZnWO4, HPGe, Li2MoO4, MoO3, Li6Eu(BO3)3–Dark Matter particles –double beta decay–cluster decay–CNC decay –rare βdecay –rare α decay DAMA/NaI+LIBRA暗物质存在的实验证据以及已知的特性已知的特性•星系: rotation curve, dark halo•星系团: virial velocity，X-ray gas, gravitational lensing •大尺度结构：filamentary structure, streaming velocity field, redshift dependence→•宇宙中85%的物质是暗物质•暗物质至少参与引力相互作用，不参与电磁作用，强相互作用•暗物质是non-baryonic我们周围到处都有暗物质，能做直接探测理论预期的暗物质粒子类型的多样性类型的多样性•Hot Dark Matter (HDM)–Neutrinos•Warm Dark Matter (WDM)–sterile neutrinos –gravitinos.–axino•Cold Dark Matter (CDM)–WIMPs (e.g., neutralino from MSSM)–Axions–axion-like–MACHOs•etc…暗物质质量可能重，也可能轻(LDM)理论预期的暗物质粒子作用产生的信号的多样性信号的多样性•湮灭，衰变（间接探测）•核反冲 电离(电荷)，热振动(声子)，闪烁光 (光子) –SI:自旋无关弹性散射–SD:自旋相关弹性散射–非弹性散射•电子反冲•电磁辐射（e-, γ, x-ray)–channeling effect (晶体)–Migdal effect （原子的外层束缚电子）–etc.晶体可以得到所有的信号一些实验对电磁成分采取 ”rejection procedure”，将其作为本底扔掉了直接探测暗物质粒子的模型无关模型无关方法:December 230 km/s~ 232 km/s60°June 230 km/s年调制总事例率的变化(<7%)日调制在一定方向上的事例率的变化(90%)earth地球可看作天然的回旋器，造成暗物质信号的周期性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，暗物质信号因此拥有区别于本底的特征调制变化，暗物质信号因此拥有区别于本底的特征DAMA/NaI+LIBRA暗物质质量可能重，也可能轻(LDM)晶体可以得到所有的信号年调制，年调制，模型无关模型无关我们周围到处都有暗物质，能做直接探测暗物质信号的暗物质信号的年周期调制必然年周期调制必然具有具有六个六个重要的特征重要的特征：：1.呈呈cosine 函数函数2.周期一年周期一年3.初相位（极大值处）约为六月二号初相位（极大值处）约为六月二号4.调制幅度调制幅度≤7%（（halo分布的要求）分布的要求）5.单击中事例单击中事例6.低能区的事例低能区的事例这六个重要的特征这六个重要的特征是本底所不全具备的是本底所不全具备的，，因而据此可把因而据此可把 暗物质暗物质和本底区分开。

和本底区分开对探测系统的要求：对探测系统的要求：低放射性、低本底、低探测阈能、高灵低放射性、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)•  = p/3• w = 2p/T T = 1 year• t0 = 2nd June (when v is maximum)DAMA/NaI+LIBRA ：：年调制，模型无年调制，模型无关关v(t) = vsun + vorb coscos[w(t-t0)]December 230 km/s~ 232 km/s60°June 230 km/sNaI(Tl)晶体纯度：大量的工作经验•低本底晶体材料的选择•对所有用到的材料进行放射性本底检测:–低本底HPGe检测，在地下操作 –高精度质谱仪和原子谱仪 –中子活化分析•深度研究标准残留(U, Th, K)和非标准残留放射性本底•晶体材料的化学/物理提纯•选择合适的晶体生长方法•添加剂的选择•晶体生长，操作工序的严格控制•装配、运输、存储、安装、维护等严格的流程控制NaI(Tl)晶体探测器•5×5 modules array•每个module–9.7kg NaI(Tl)–2×石英光导–2×PMT多层屏蔽多层屏蔽检测检测/预警系统预警系统标定标定三级三级HPN2 排除氡排除氡a ae23451live time = 570 h在在 NaI(Tl) 探测器中的剩余污染探测器中的剩余污染用PSD方法可将MeV能量的a/e 100%区分开测量到 DAMA/LIBRA有 7-some tens a/kg/day232Th剩余污染剩余污染0.5 ppt to 7.5 ppt238U剩余污染剩余污染0.7 to 10 ppt238U 反应链反应链: 238U  234U  230Th  226Ra  210Pb  206Pbdouble coincidencesnatK剩余污染剩余污染<20ppb（（40K仅仅占万分之一）占万分之一）(2.1±0.1) ppt of 232Th; (0.35 ±0.06) ppt for 238Uand: (15.8±1.6) Bq/kg for 234U + 230Th; (21.7±1.1) Bq/kg for 226Ra; (24.2±1.6) Bq/kg for 210Pb. 129I/natI ≈1.710-13 for all the new detectors210Pb in the new detectors: (5 − 30) mBq/kg.129I and 210Pb没有氡子体引起的大的表面污染没有氡子体引起的大的表面污染DAMA/LIBRA 标定标定低能量低能量: external g g sources (241Am, 133Ba) and internal X-rays or g g ’s (40K, 125I, 129I), routine calibrations with 241Am高能量高能量: external sources of g g rays (e.g. 137Cs, 60Co and 133Ba) and g g rays of 1461 keV due to 40K decays in an adjacent detector, tagged by the 3.2 keV X-rays81 keV133BaInternal 40KTagged by an adjacent detectorInternal 125Ifirst months241Am3.2 keV59.5 keV67.3 keV40.4 keV30.4 keVLinearityEnergy resolution137Cs60Co133Ba40K81 keV662 keV1173 keV1332 keV2505 keV356 keV1461 keV在阈能附近的噪音去除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,240nsPMT noise Scintillation eventPSD去除噪音是在数据分析中唯一采用的步骤2-4 keVX2X2X2X2X1X1X1X14-6 keVSingle-hit production datag g sourceScintillation pulsesPMT noiseDAMA/NaI+LIBRA 探测系统的特点•可以得到所有类型的信号•既对重质量暗物质敏感(I)，又对轻质量暗物质敏感(Na)•超低放射性：–1992-1996，完成100 公斤具有超低放射性NaI(Tl) 晶体阵列的探测器系统（U-238、Th-232 等 < 10 ppt）–2003 年后，扩大为250公斤具有超低放射性NaI(Tl) 晶体阵列的探测器系统（U-238、Th-232 等 < 1 ppt）•很低本底：在深层地下,加上各种屏蔽，并且对运行条件严格控制：～ 1 event/kg.day.keV at 2 keVee•高光产额：5.5-7.5ph.e./keV•低探测阈能：2 keVee•较大的探测器规模：250 kg•好的长期稳定性： 多年连续、安全、可靠的运行 。

DAMA/LIBRA 运行及硬件更新242.5232.8232.8232.8232.8232.8Mass(kg)0.59139445Oct. 28, 2005 – July 18, 2006DAMA/LIBRA -30.46752597July 21, 2004 – Oct. 28, 2005DAMA/LIBRA -20.56251405Sep. 9, 2003 – July 21, 2004DAMA/LIBRA -10.519317697= 0.87 ton´ ´yrSep. 9, 2003 – Sep. 1, 2009DAMA/LIBRA -1 to-60.51958768Nov. 12, 2008 – Sep. 1, 2009DAMA/LIBRA -60.46866105July 17, 2007 – Aug. 29, 2008DAMA/LIBRA -50.54149377July 19, 2006 – July 17, 2007DAMA/LIBRA -4a-b2Exposure(kg day)Period242.5232.8232.8232.8232.8232.8Mass(kg)0.59139445Oct. 28, 2005 – July 18, 2006DAMA/LIBRA -30.46752597July 21, 2004 – Oct. 28, 2005DAMA/LIBRA -20.56251405Sep. 9, 2003 – July 21, 2004DAMA/LIBRA -10.519317697= 0.87 ton´ ´yrSep. 9, 2003 – Sep. 1, 2009DAMA/LIBRA -1 to-60.51958768Nov. 12, 2008 – Sep. 1, 2009DAMA/LIBRA -60.46866105July 17, 2007 – Aug. 29, 2008-50.54149377July 19, 2006 – July 17, 2007DAMA/LIBRA -4a-b2Exposure(kg day)Period242.5232.8232.8232.8232.8232.8Mass(kg)0.59139445Oct. 28, 2005 – July 18, 2006DAMA/LIBRA -30.46752597July 21, 2004 – Oct. 28, 2005DAMA/LIBRA -20.56251405Sep. 9, 2003 – July 21, 2004DAMA/LIBRA -10.519317697= 0.87 ton´ ´yrSep. 9, 2003 – Sep. 1, 2009DAMA/LIBRA -1 to-60.51958768Nov. 12, 2008 – Sep. 1, 2009DAMA/LIBRA -60.46866105July 17, 2007 – Aug. 29, 2008DAMA/LIBRA -50.54149377July 19, 2006 – July 17, 2007DAMA/LIBRA -4a-b2Exposure(kg day)Period242.5232.8232.8232.8232.8232.8Mass(kg)0.59139445Oct. 28, 2005 – July 18, 2006DAMA/LIBRA -30.46752597July 21, 2004 – Oct. 28, 2005DAMA/LIBRA -20.56251405Sep. 9, 2003 – July 21, 2004DAMA/LIBRA -10.519317697= 0.87 ton´ ´yrSep. 9, 2003 – Sep. 1, 2009DAMA/LIBRA -1 to-60.51958768Nov. 12, 2008 – Sep. 1, 2009DAMA/LIBRA -60.46866105July 17, 2007 – Aug. 29, 2008-50.54149377July 19, 2006 – July 17, 2007DAMA/LIBRA -4a-b2Exposure(kg day)PeriodDAMA/NaI(7 years) + DAMA/LIBRA (6 years)total exposure : 425428 kg´ ´day = 1.17 ton´ ´yr•第一次硬件更新2008年: –更换一些 PMTs –修复 1个module–新Digitizers(U1063A Acqiris 1GS/s 8-bit High-Speed cPCI)–新DAQ系统，optical read-out•新的硬件更新2010年底2-5 keV2-6 keVA=(0.0183±0.0022) cpd/kg/keV2/dof = 75.7/79 8.3   C.L.2-4 keVA=(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[w w(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2 test 和 run test 得到结论： 调制幅度的变化属于正常涨落•DAMA/NaI和DAMA/LIBRA之间调制幅度的差异为(0.009±0.004) cpd/kg/keV 是 2σ 对应于不大但是不可忽视的发生概率用用Acos[w w(t-t0)]拟合 single-hit数据 得到A, T, t0 各阶段测得的年调制是一致的6-14 keV2-6 keV6-14 keV2-6 keV在6-14 keV 没有功率峰2-6 keV vs 6-14 keVDAMA/NaI + LIBRA total exposure: 1.17 tonyr DAMA/LIBRA (6 years)total exposure: 0.87 tonyrDAMA/NaI (7 years)total exposure: 0.29 tonyr在2-6 keV: DAMA/NaI DAMA/LIBRA DAMA/NaI+LIBRA2.737 · 10-3 d-1 ≈ 1 y-1 2.697  10-3 d-1 ≈ 1 yr-1 2.735  10-3 d-1 ≈ 1 yr-1single-hit: 功率谱Mod. Ampl. (6-10 keV): cpd/kg/keV (0.0016 ± 0.0031) DAMA/LIBRA-1 -(0.0010 ± 0.0034) DAMA/LIBRA-2 -(0.0001 ± 0.0031) DAMA/LIBRA-3 -(0.0006 ± 0.0029) DAMA/LIBRA-4 -(0.0021 ± 0.0026) DAMA/LIBRA-5 (0.0029 ± 0.0025) DAMA/LIBRA-6  statistically consistent with zero这与本底没有年调制特征的预期一致这与本底没有年调制特征的预期一致 Period Mod. Ampl.DAMA/LIBRA-1 -(0.050.19) cpd/kgDAMA/LIBRA-2 -(0.120.19) cpd/kgDAMA/LIBRA-3 -(0.130.18) cpd/kgDAMA/LIBRA-4 (0.150.17) cpd/kgDAMA/LIBRA-5 (0.200.18) cpd/kgDAMA/LIBRA-6 -(0.200.16) cpd/kg 在全能谱中没有年调制：在全能谱中没有年调制：在全能谱中没有年调制：在全能谱中没有年调制：积分事例率积分事例率 R R9090（相对于（相对于平均值的百分比变化）平均值的百分比变化）A=(0.3±0.9) 10-3 cpd/kg/keVDAMA/LIBRADAMALIBRA-1 to -6single-hit：>6keV没有年调制信号    1%2÷5 keV: A=-(0.0008±0.0005) cpd/kg/keV2÷6 keV: A=-(0.0006±0.0004) cpd/kg/keV2÷4 keV: A=-(0.0011±0.0007) cpd/kg/keVInitial time August, 7这与本底没有年调制特征的预期一致这与本底没有年调制特征的预期一致multiple-hits: 没有年调制信号。