高纯锗探测器暗物质年度调制效应和轴子暗物质的实验研究

The nature of identity of the dark matter of the Universe is one of the most challenging problems. Well-motivated classes of dark matter candidates are Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) and axion dark matter. As to WIMP dark matter, some experiments subsequently attributed to a possible low mass WIMP signal in conflict with the null experiments of other experiments based on the model of standard WIMP-nucleon coherent scattering especially in annual modulation results from DAMA and CoGeNT. For axion dark matter, with the feature of the low energy threshold of the point contact germanium detector, the parameter space in the low mass range still have improvement areas..The project will investigate the influences on the long stability of germanium detector as well as the background changes over time, try to develop and establish the data analysis procedures of annual modulation and axion dark matter using maximum likelihood method. Based on the over one year's CDEX-1 data from 1 kg point contact germanium detector which is the world’s lowest threshold in the same detector technology, we expected to obtain the annual modulation effect result and achieve the most sensitive exclusion plot of axion below 1 keV.

暗物质探测已成为当今科学最重要的课题之一。弱相互作用重粒子（WIMP）和轴子（axion）是众多理论模型中最有可能的暗物质候选者。对于WIMP暗物质，近几年来多个国际实验组在低质量区~10 GeV发现疑似暗物质事例，但这些结果与其他一些实验组的结果发生明显的冲突，尤其是DAMA与CoGeNT的年度调制效应国际上还没有统一的解释。对于轴子暗物质，利用高纯锗的低能量阈值的特性，在低质量区仍有改善的空间。.本项目基于中国暗物质实验积累1年多的1 kg点电极高纯锗探测器的数据，凭借其在大质量点电极高纯锗探测器中最低能量阈值，研究影响探测器长期稳定性的因素和本底随时间的变化关系，发展和建立使用最大似然法处理年度调制效应和轴子暗物质的数据分析流程，期望得到WIMP的年度调制效应实验结果，得到质量小于1 keV以下的轴子与核外电子耦合参数最灵敏的排除线结果。

轴子的引入了解决了强相互作用宇称破坏问题，同时它也是暗物质最热门的候选者之一。探测轴子和轴子暗物质具有重大的物理意义。本研究在世界最深的锦屏地下实验室进行，利用CDEX实验组目前国际上最灵敏、阈值最低的1kg点电极探测器，在已有的335.6 kg-day数据量的基础上对太阳轴子以及暗物质轴子进行研究。.本研究第一次建立一套针对CDEX使用的p型点电极高纯锗探测器所使用的最大似然法处理分析能谱的方法。理解和掌握现有轴子理论模型，分别给出暗物质轴子，太阳轴子中的Fe-57 14.4 keV M1跃迁，太阳轴子中的轴子康普顿、轫致辐射、复合退激所对应的轴子与电子的耦合参数的排除线。.研究结果表明对质量低于1 keV的轴子暗物质，CDEX实验有目前国际上最灵敏的实验结果。对太阳轴子的CBRD反应通道CDEX得到了的排除线结果，该结果为相同探测技术下国际最灵敏的实验结果。对57Fe 14.4 keV的太阳轴子，本研究得到了的排除线结果。对于轴子的两大类理论模型DFSZ和KSVZ，我们分别排除了轴子质量大于0.9 eV/c2和177 eV/c2的区域。该研究填补了国内的空白，并达到国际领先。