低能量區暗物質新物理實驗研究

《低能量區暗物質新物理實驗研究》是依託四川大學，由林興德擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：低能量區暗物質新物理實驗研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：林興德
• 依託單位：四川大學

項目摘要

暗物質的本質和特性是天文學、宇宙學和粒子物理的重要研究課題。目前暗物質直接探測多數局限於測量弱相互作用有質量粒子(WIMP)與原子核發生彈性碰撞後的核反衝能量。四川大學參與的CDEX合作組利用高純鍺探測器亦給出了以400eV閾值的物理結果。而理論上原子核外的束縛電子也可以同WIMP發生彈性散射，隨著探測閾值的降低，測量反衝電子可以給出低於1GeV的WIMP的物理結果，並且能尋找新質量區的軸子暗物質。本項目利用高純鍺探測器對暗物質新物理進行實驗研究，通過提取和甄別噪聲附近物理事例將高純鍺探測器分析閾值從目前400eV降低至100eV；亦對該實驗的某些關鍵技術和方法進行研究，包括建立和掌握實時的數據分析系統，有效運用不同刻度數據的波形甄別方法等。本工作旨在顯著提高直接探測1GeV以下WIMP與電子彈性散射的靈敏度，並在探測軸子暗物質上有所突破，提升暗物質物理實驗研究水平。

結題摘要

本項目主要依託於中國暗物質實驗合作組(CDEX)，在錦屏地下實驗室(CJPL)使用大質量點電極高純鍺探測器，開展對極低能區的暗物質新物理實驗研究。暗物質直接探測找尋從原先局限於測量弱相互作用有質量粒子(WIMPs)與原子核發生彈性碰撞後的核反衝能量，發展到非WIMPs暗物質候選者找尋和非彈性碰撞後的核反衝的廣泛研究。本項目研究主要有兩個方面，第一方面為非WIMPs與非彈性核反衝的物理反應通道的理論探索，包含低質量區類軸子(Axion-like particle)暗物質候選者研究、太陽軸子反應過程、WIMPs與束縛電子彈性碰撞計算和低能區太陽中微子的同調性研究。第二方面，著重於實驗方法用於降低能量閾值和對低能區背景的測量，此方面研究，對常規與非常規暗物質探測皆受用，研究內容包括在已有的數據採集系統(DAQ)中加入可程式邏輯器件(FPGA)，使用即時判讀閾值的篩選手段，將計數率大幅降低，為新一代DAQ降低閾值奠定基礎；透過”同位置”測量極低通量快中子，解析中子在低能區的背景；採用原子多體模型，計算康普敦反應在低能區的貢獻，綜合上述方式，對低能區的背景有實質的分析。本研究基於CDEX-1A實驗在CJPL中的一年有效數據，將低質量區暗物質探測提高一個數量級的靈敏度[Phys. Rev. D 93, 092003 (2016)]，同時，使用波型分辨法手段，從近閾值噪聲中獲取信號，並以康普敦信號標定低能區效率，將閾值再降100 eV，在低質量區(300 ~ 1000 eV/c2) 獲得國際最靈敏的暗物質類軸子測量[Phys. Rev. D 95, 052006 (2017)]。也用在無中微子雙貝他衰變的試驗結果[Sci. China-Phys. Mech. Astron. 60, 071011 (2017)]。另外，對中微子和核子反應的同調性研究[Phys. Rev. D 93, 113006 (2016)]，闡明太陽中微子地板在常規暗物質直接探測的影響；精準極低中子能譜測量[Nucl. Instr. and Meth. A 889 (2018) 105-112]和原子多體康普敦散射計算[arXiv:1902.02301(2019)]，對下一代暗物質探測實驗，提供更精準的背景模型，並且對低能量區新物理的找尋有重要的物理分析意義。