低能量区暗物质新物理实验研究

The nature and identity of the dark matter of the Universe is one of the most challenging problems facing Astronomy, Cosmology as well as particle physics. Current dark matter searches experiments aim for direct detection via elastic scattering off nucleon in terrestrial detectors. However, the nucleon target might be replaced by the electron but with bound state. We investigate the new detector channels on WIMP-electron elastic scattering as well as axion Dark matter searches by using high purify germanium detector with remarkable 100 eV for CDEX experiment. Threshold of 400 eV for the first phase of CDEX(CDEX-1) was obtained. Our strategies for achieving 100 eV threshold is extracting physics singles near noise edge. The technologies including the real-time data processing system and pulse shape discrimination with different calibration data are discussed. This work can probe largely unexplored sub-GeV mass with WIMP-electron scattering through direct detection and open a new window for axion dark matter searches.

暗物质的本质和特性是天文学、宇宙学和粒子物理的重要研究课题。目前暗物质直接探测多数局限于测量弱相互作用有质量粒子(WIMP)与原子核发生弹性碰撞后的核反冲能量。四川大学参与的CDEX合作组利用高纯锗探测器亦给出了以400eV阈值的物理结果。而理论上原子核外的束缚电子也可以同WIMP发生弹性散射，随着探测阈值的降低，测量反冲电子可以给出低于1GeV的WIMP的物理结果，并且能寻找新质量区的轴子暗物质。本项目利用高纯锗探测器对暗物质新物理进行实验研究，通过提取和甄别噪声附近物理事例将高纯锗探测器分析阈值从目前400eV降低至100eV；亦对该实验的某些关键技术和方法进行研究，包括建立和掌握实时的数据分析系统，有效运用不同刻度数据的波形甄别方法等。本工作旨在显著提高直接探测1GeV以下WIMP与电子弹性散射的灵敏度，并在探测轴子暗物质上有所突破，提升暗物质物理实验研究水平。

本项目主要依托于中国暗物质实验合作组(CDEX)，在锦屏地下实验室(CJPL)使用大质量点电极高纯锗探测器，开展对极低能区的暗物质新物理实验研究。暗物质直接探测找寻从原先局限于测量弱相互作用有质量粒子(WIMPs)与原子核发生弹性碰撞后的核反冲能量，发展到非WIMPs暗物质候选者找寻和非弹性碰撞后的核反冲的广泛研究。本项目研究主要有两个方面，第一方面为非WIMPs与非弹性核反冲的物理反应通道的理论探索，包含低质量区类轴子(Axion-like particle)暗物质候选者研究、太阳轴子反应过程、WIMPs与束缚电子弹性碰撞计算和低能区太阳中微子的同调性研究。第二方面，着重于实验方法用于降低能量阈值和对低能区背景的测量，此方面研究，对常规与非常规暗物质探测皆受用，研究内容包括在已有的数据采集系统(DAQ)中加入可编程逻辑器件(FPGA)，使用即时判读阈值的筛选手段，将计数率大幅降低，为新一代DAQ降低阈值奠定基础；透过”同位置”测量极低通量快中子，解析中子在低能区的背景；采用原子多体模型，计算康普敦反应在低能区的贡献，综合上述方式，对低能区的背景有实质的分析。本研究基于CDEX-1A实验在CJPL中的一年有效数据，将低质量区暗物质探测提高一个数量级的灵敏度[Phys. Rev. D 93, 092003 (2016)]，同时，使用波型分辨法手段，从近阈值噪声中获取信号，并以康普敦信号标定低能区效率，将阈值再降100 eV，在低质量区(300 ~ 1000 eV/c2) 获得国际最灵敏的暗物质类轴子测量[Phys. Rev. D 95, 052006 (2017)]。也用在无中微子双贝他衰变的试验结果[Sci. China-Phys. Mech. Astron. 60, 071011 (2017)]。另外，对中微子和核子反应的同调性研究[Phys. Rev. D 93, 113006 (2016)]，阐明太阳中微子地板在常规暗物质直接探测的影响；精准极低中子能谱测量[Nucl. Instr. and Meth. A 889 (2018) 105-112]和原子多体康普敦散射计算[arXiv:1902.02301(2019)]，对下一代暗物质探测实验，提供更精准的背景模型，并且对低能量区新物理的找寻有重要的物理分析意义。