《用於暗物質探測的極低能閾HPGe探測系統的實驗研究》是依託清華大學，由康克軍擔任項目負責人的重點項目。
基本介紹
- 中文名：用於暗物質探測的極低能閾HPGe探測系統的實驗研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：康克軍
- 項目類別：重點項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
暗物質探測是粒子物理、宇宙學等領域的重大研究課題。WIMP是最可能的暗物質候選者，能量約在1－1000GeV之間。目前國際上各實驗組所用探測器能量閾多為2keV以上，可測量的WIMP質量下限約為10GeV。理論預計降低探測能量閾值可以按指數規律提高事例率水平，降低可測量的WIMP質量下限。.本項目採用世界上閾值最低(小於300eV)的四通道20g（4×5g）極低能閾HPGe陣列探測系統和單體質量500g的大質量極低能量閾HPGe探測系統對WIMP進行探測研究。探測系統位於700米深地下實驗室,運行探測器，研究探測系統的各項實驗性能，測量得到WIMP質量及其與靶物質作用截面等重要參數。預期在低質量區（＜10GeV）給出國際上最好的暗物質探測結果。本項目在國際上首次採用低能閾HPGe探測器陣列系統探測低能量WIMP，並為未來噸量級高純鍺探測器項目開展預研，研究處於國際領先水平，物理意義重大。
結題摘要
本項目主要是採用質量為20g的極低能量閾高純鍺探測器陣列系統和質量為1kg的電接觸技術高純鍺探測器系統，開展低質量區間的暗物質WIMP粒子的探測和研究。 在20g高純鍺陣列探測器系統方面，從2011年開始，逐步開始對該探測器系統進行了初步性能測試確定其基本參數、搭建了主動和被動相結合的禁止體，並建立了配套電子學系統、實驗數據獲取系統和離線實驗數據分析系統。在此基礎上，開展了利用這個20g的極低能量閾高純鍺陣列探測器直接探測暗物質的實驗。通過連續的實驗運行和數據獲取，共得到約180天的有效實驗數據。對這些實驗數據進行了離線數據分析，利用其中一個質量為5g的晶體探測器得到了約150eV的國際上高純鍺探測器方面最低的能量閾。利用該探測器測量的本底能譜，項目組給出了在暗物質質量3GeV以下區間國際最靈敏的暗物質靈敏度實驗結果。本實驗結果即將發表。 本項目還開展高純鍺探測器的模擬研究，設計並研製了基於P型高純鍺晶體的點接觸電極高純鍺（PCGe）探測器，主要是在不顯著增加高純鍺探測器能量閾值情況下，大幅提升高純鍺探測器的單元質量，為未來更大規模的噸量級高純鍺暗物質實驗開展原型探測器技術和性能研究。經過前期模擬設計和研究，計畫中的PCGe探測器質量從500g提升到了1000g，成為國際最大單體質量的點電極高純鍺探測器。2012年開始，實驗組正式利用這個質量為1kg的PCGe探測器開始暗物質研究。通過2012和2013年的實驗運行，得到了很多非常寶貴的實驗數據。課題組首先分析了部分實驗數據，得到了點電極高純鍺探測器領域國際上最低的400eV的能量閾值、以及在1keV一下最低通量的高純鍺探測器能譜。該能譜是我國首次實驗測量得到10keV一下直到400eV範圍內的低能X射線能譜，特別是宇生放射性核素產生的低能X射線，並觀測到了一些短壽命核素的衰變過程。利用這部分實驗數據得到的能譜，研究組開展物理分析，2013年項目組在Physical Review D上發表了我國首個暗物質靈敏度實驗結果，達到了國際一流水平，使得我國暗物質實驗研究結果首次出現在國際第一陣營，使得我國暗物質實驗研究開啟了一個新的時代。 本項目的研究對於理解高純鍺探測器性能和本底來源、掌握高純鍺探測器研製技術起到了非常重要的作用，為未來我國開展噸量級高純鍺探測器暗物質直接探測實驗奠定了高純鍺探測器技術基礎。
