利用地下实验室中高灵敏度的探测器对宇宙中的暗物质直接探测寻找是一个极其热门的研究课题。最近一段时期,DAMA, CoGeNT等实验相继发现了一些"疑似信号",具有更高灵敏度的XENON100实验也有了首批结果。而中国也已经有了一个理想的探测暗物质的场所- - 锦屏山极深地下实验室。针对目前国际暗物质探测最新形势,我们在科技部973计划支持的液氙暗物质预研项目的基础上,将开发一个新型的"扁平状二相型氙"探测器CXO,以及相应的屏蔽系统,尽快安装到地下实验室中运行。这个探测器不仅具有比以往液氙探测器质量大的优势,更能有效的降低阈能以对轻质量暗物质提高灵敏度。CXO运行一年以后,将有效排除(或探测到成千个)CoGeNT的轻质量暗物质事例,同时在重质量暗物质方面将比现有最好结果灵敏度提高至少一个数量级,对国际暗物质直接探测领域产生重大的影响。
Dark Matter;Liquid Xenon;Time Projection Chamber;Underground Laboratory;Low Background
本项目研制了基于液氙的高灵敏度暗物质探测器PandaX一期实验,并在锦屏地下实验室进行了暗物质的探测,首批结果排除了包括CoGeNT在内的多个实验宣称的疑似轻质量暗物质信号。在此过程中,我们选取了低本底的无氧铜、聚乙烯和老铅等材料建造了一个可容纳吨级液氙探测器的屏蔽系统,对岩石和实验室环境中的放射性本底起到了有效的压低作用。同时我们研制了一个吨级液氙制冷和氙气循环提纯系统,在PandaX一期约8个月的实验过程中将450公斤的液氙稳定维持在零下96摄氏度,并对其中的杂质进行了有效的移除,保证了探测信号的稳定性。本项目主要研制了一个具有高光采集效率(低阈能)的二相型氙时间投影室。该时间投影室直径达到60厘米(为国际同类实验中最大的),靶质量达到120公斤,并在国际上首次采用了Hamamatsu公司生产的R11410高量子效率大面积光电倍增管。在零点场下,该时间投影室对122 keV电子反冲的等效光产额达到了7.3光电子/keV,比XENON100实验提高了约一倍,探测阈能降低一半,提高了对轻质量暗物质探测的灵敏度。利用中子和伽玛射线刻度源对探测器的响应表明,在保持50%核反冲事例的情况下,该时间投影室对电子反冲本底的排除本领达到了99.7%,和XENON100, LUX等国际同类实验的本底排除本领处于相同水平。在首批17天的暗物质寻找数据中,我们对中心37公斤的有效靶质量中的数据进行了分析,在暗物质事例可能存在的低能区共找到46个候选事例,但这些事例全部来自于电子反冲本底。基于此结果,我们给出了对暗物质与核子碰撞截面的上限,完全排除了目前存在争议的低质量暗物质疑似信号的可能性,对低质量暗物质的探测结果是国际上最灵敏结果之一。目前,我们正在分析之后采集的数据,继续提高PandaX一期对暗物质探测的灵敏度。PandaX二期实验目前正在研制具有500公斤靶质量的探测器,在继续提高对轻质量暗物质的探测的灵敏度以外,将在各个暗物质质量区域(10 GeV/c2-10 TeV/c2)在其他实验尚未探索的区域展开暗物质的寻找。