基于双发光晶体CsI(Na)及液氙主动屏蔽的WIMPs直接探测器研究

More original experiments for WIMPs direct searches are needed for China camp facing fierce international competition. The ability of excluding the internal and external backgrounds of the detector is one of the determinants of the experimental sensitivity. WIMPs direct search with dual-light emitting crystals is the original technology of our project team. The proportion of the dual light-emitting of CsI(Na) crystals at low temperature can effectively distinguish between nuclear recoil and electron recoil. This result solves the crystal problems with high internal backgrounds, and opens up a new way to detect WIMPs. For external background, an original design is proposed, using liquid xenon active and anti-coincidence shielding, that is expected to effectively depress the external background and improve the experimental sensitivity. Simulation and experimental studies of this original program will be carried out for clarifying the detector geometry design, the threshold value and the sensitivity.

暗物质粒子WIMPs直接探测国际竞争激烈，中国阵营需要更多的原创实验。对探测器内部及外部本底的排除能力，是实验灵敏度的重要决定因素。本项目提出用双发光CsI(Na)晶体为探测器灵敏材料，在适当低温下利用CsI(Na)晶体快、慢发光的比例可有效区分核反冲与电子反冲，从而显著压低CsI晶体内部本底及γ本底，是WIMPs探测的新途径。提出采用液氙主动屏蔽反符合新思路，预计可有效压低外部本底，提高实验灵敏度。本项目将对方案进行全面模拟及实验研究，明确探测器几何设计、本底水平、能量阈值及灵敏度。

本项目针对暗物质直接探测这一前沿课题，原创提出了基于CsI(Na)晶体及液氙主动屏蔽技术的探测器方案。.本项目对CsI(Na)晶体的低温性能进行了细致研究，得到了光产额及波形分辨能力随温度的变化，确认波形分辨能力在-120℃时最强，10 p.e.可达10^-6的本底排斥能力，实验表明阈值可小于10 p.e.。.本项目对探测器的本底来源进行了模拟研究，得到了探测器的本底水平及液氙屏蔽的作用，发现采用液氙主动屏蔽反符合结构可压低外部gamma本底1个量级至3.1×10^5 evts/ton/year水平，此时本底由CsI内部本底主导为4×10^7 evts/ton/year水平，考虑10^6本底鉴别能力，在晶体表面潮解处理及封装理想的情况下总的gamma本底为40 evts/ton/year。.本项目研制了一套多用途液氙系统，应用不仅可满足本项目进一步实验需求，同时可用于液氙TPC技术研究，作为中美合作nEXO项目的重要硬件设备。