DAMA 实验新进展
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Transcript of DAMA 实验新进展
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