暗物質探測的物理意義1933年，Zwicky發現了“暗物質”暗物質存在的直接證據來自對銀河系等漩渦星系的觀測FritzZwicky(1898-1974)ES0269銀河系4314

銀河系宇宙中存在大量暗物質！暗物質探測研究的重要意義宇宙物質構成中，90％以上是暗物質，擁有如此巨大的質量，暗物質幾乎主宰了宇宙的運動和演化過程。但是到現在為止，人類還僅僅只是知道暗物質存在而已，對于暗物質的構成、性質、分布、運動狀態等等卻無從得知。暗物質探測研究已經成為當前粒子物理、天體物理以及宇宙學等領域的重要前沿課題。我國也對暗物質探測研究工作極為重視，國家自然科學基金委員會已經將暗物質暗能量等研究領域列為重點資助范圍。正在進行和建設的暗物質直接探測實驗暗物質探測方法韓國暗物質研究中心

WIMP暗物質探測計劃2000年啟動、極低本底CsI(Tl)晶體探測器、地下700m實驗室、液閃反符合探測器、被動屏蔽體、500MHzFADC電子學系統…清華大學從2002年開始就積極參與了該實驗計劃的研究工作：極低本底CsI(Tl)晶體研究、反沖核特性研究、地下實驗室宇宙線

子本底通量及位置分辨研究、中子本底研究等

2004年啟動了一項新的研究計劃

《極低能量閾HPGe探測器測量WIMP》極低能量閾HPGe探測器測量WIMP項目的提出：

我經過幾個月的理論準備和計算，于2004年1月在韓國KIMS合作組會議上提出，利用低能量閾高純鍺探測器實驗測量低質量區的暗物質WIMP，主要研究區域集中在10GeV/c2以下區域，得到大陸、臺灣及韓國同行的肯定，并專門組織討論會就這一問題進行討論，決定成立由清華大學負責的合作組推進這一實驗計劃。探測器實驗計劃采用重為1kg的低能量閾高純鍺探測器來直接探測WIMP暗物質第一步對質量為5g的HPGe探測器單元進行實驗研究，得到5g靶質量探測器的暗物質探測能力。外部屏蔽體采用主動與被動屏蔽體相結合的方式來對主探測器進行屏蔽。探測器性能測試能量閾值可以達到～100eV水平！電子學系統與數據獲取系統64MHzFADCDIGITIZER

2CHANNELS/BOARD100usRECORDED/EVENTProgrammabletriggerlogic&optionalzerosuppressionon-boardVMECONTROLLER

USB2INTERFACEOPTIONALTransfer

10Mbytes/sdatatransferDAQbasedonLinuxsystem屏蔽體結構主要屏蔽目標:CosmicrayGamma屏蔽體:15cmlead5cmcopperCsIvetodetector電子學與數據獲取系統框圖ROOTGEANT4GeDetectorPre-ampAmplifierSignalInhibitHighGainLowGainCsIDetectorAmplifierCsISignalFADCLinuxSystemCsI(Tl)晶體反康普頓探測器HV選擇-1300V(Cs-137662keV)

考慮CsI探測器的閾值，HV會適當提高源位置依賴Axial(OnePMT)Angular(Hole)CsI探測器信號幅度對源位置的依賴Height(cm):1.5,7,13,22,28Angle(degree):180Height(cm):5(nearthehole)Angle(degree):0,90,150,180探測器對源位置的依賴性光電峰位置底部晶體光輸出約為頂部晶體光輸出的70%

各處位置分辨好于20％，最好處約為14%CsI晶體內部放射性在Y2L地下實驗室利用低本底HPGe探測器測量CsI本底15cmPb10cmCu1L/minN2flow被測CsI晶體尺度（底部）R=45mmH=20mmweight2.374Kg測量時間:1619418sec(18.7days)CsI晶體內部放射性Cs同位素活度含量放射性同位素含量:Cs134:(1.07±0.01)E+03counts/(Kg*day)Cs137:(2.077±0.03)E+02counts/(Kg*day)GammasourceEnergy(KeV)Intensity(%)CountsEfficiency(%)Cs-13460498.2013052.82±0.0279585.7910852.63±0.02Cs-13766294.402422.78±0.02Cs同位素衰變分支探測器系統安裝(2005年3月)ULE-Gedetector:H.V.:-500VGain:100x0.72Shapingtime:6usRange:0~55keVCsIdetector:H.V.:-1300VGain:10xN2flow:1liter/minGe探測器刻度Source:Fe-55TitargetX-ray:Mn:5.899&6.490keVTi:4.505&4.932keVCa:3.688keVSignalinformation:Sumtotal–PedestalHPGe探測器刻度Sumtotal-PedestalPeakresolution:(Fe-55)Energy(keV)5.8996.490Result(keV)5.89770e+006.49145e+00Sigma(keV)6.27309e-026.54992e-02NiceLinearity!CsI晶體探測器刻度Source:Na-22(0.511&1.275MeV)Mn-54(0.835MeV).Signalinformation:Sum–Pedestal本底運行數據Ge內部放射性Energy10.3keV(268events)Energy1.3keV(about20events)Possiblecandidates:Ge-70(n,3n)Ge-68Ge-68EC->Ga68(270.95day)2.Ge-70(n,gamma)Ge-71 Ge-71EC->Ga71(11.43day)3.self-absorptionGaElectronBindingEnergy:ElectronIdentityEnergy(keV)1s10.3672s1.302Goodenergycalibration!Ge內部放射性本底的衰變對于10.3KeVX射線，計數率在衰減，半衰期約為8天對于1.3KeVX射線,未發現明顯的衰變現象需要更多的數據來研究Ge探測器能量閾(NoPSD)CsI(Tl)探測器能量閾(NoPSD)探測器本底水平和屏蔽效果GesignalbeyondthresholdvetoedbyCsIsignal:Originally:416+764=1180eventsAfterveto:357+456=813events(270eventsin10.29keVpeak)Backgroundlevel:133counts/(day*Kg*keV)Efficiency=1-813/1180=31.1%實驗結果討論第一個探測器單元已經在運行（質量為5g）HPGe探測器能量閾265eV，好于預期，利用PSD等方法，能有進一步降低的空間，希望可以達到100eV。本底計數率水平約為130cpd，下一階段，需要在更多實驗數據的基礎上，結合MC模擬結果，研究本地來源，降低本底計數。目前實驗正在進行中，增加更多的探測器靶物質也在討論中。預期實驗結果條件：

Targetmass:5gQF:0.25Countsrate:1/keV·kg·dayThreshold:10