高纯锗暗物质实验低能量区探测器中子和伽马本底研究

The low mass dark matter particles have been the new hot topics for dark matter direct detection experiment. There are several new physical results being published by different collaborations in 2013 and the beginning of 2014. Due to its good performances such as ultra-low energy threshold and high internal radioactive purity, high purity germanium detector has been a good choice for low mass dark matter search. The energy threshold of about 400eV has achieved by germanium detector makes it possible for scientists to scan the ultra-low energy spectrum of germanium detector where exists some low energy characteristic X-ray lines. Combining experimental and simulated methods, one can go further to understand the kinds,sources of the germanium detector served as dark matter detector and develop the optimal signal discrimination methods. This will be very helpful to improve the sensitivity of dark matter experiment. This project will study further the gamma and neutron background contribution of the point-contact germaniumd detector below 12 keV used by CDEX-1 group for light mass dark matter search. We will try to set up the experimental and simulated methods to define the background kinds and sources including gamma and neutron background contribution. At the same time, the new data analysis method will be developed to discriminate the different pulses near energy threshold region in order to lower further the energy threshold of our germanium detector. This will be helpful for the improvement of the sensitivity of the dark matter search experiment and the studies of annaul modulation effect of fark matter.

2013年和2014年初国际上多个实验组发表了新的轻质量暗物质探测结果，引起高度关注。高纯锗探测器凭借极低的能量阈值可以直接探测轻质量暗物质，研究方案具有优势。通过模拟和实验研究相结合的方式，对于深入理解高纯锗暗物质实验本底种类和来源，发展更优化的高纯锗探测器本底甄别方法，大大提高暗物质探测灵敏度具有重要意义。 本项研究以清华大学暗物质实验组获取的低能量阈高纯锗探测器的实验数据为基础，结合模拟研究，并开展新的低通量中子实验，对12keV以下能量范围的高纯锗探测器中子和伽马本底进行研究，建立实验和模拟研究方法，确定包括探测器自身本底、结构材料本底及外部屏蔽材料等贡献的中子和伽马本底详细来源及其对能谱的贡献，并尝试发展针对高纯锗探测器的中子伽马信号甄别方法，有效提升高纯锗暗物质实验灵敏度，并且可以在更高灵敏度情况下开展年度调制效应研究，预期得到国际一流暗物质实验物理结果。

10GeV以下轻暗物质的探测是近年来暗物质直接探测实验关注的重要区域。国际上多个实验组发表的轻暗物质质量区的实验结果，有的相互支持，有的相互矛盾，需要开展更高灵敏度更低阈值的暗物质实验加以检验，并进一步发展关键技术、降低本底水平，提升暗物质灵敏度。高纯锗探测器凭借其极低的能量阈值和高纯度的靶材料等特征，对10GeV以下轻暗物质开展直接探测具有一定的技术优势。本项目希望在CDEX合作组前期研究基础上，对CDEX的C1A、C1B、和C10等探测器系统的性能进行研究，特别是在降低能量阈值方面、低能区本底种类和来源、本底抑制方法等方面，发展新的本底甄别方法，进一步降低暗物质探测阈值，降低探测器系统本底水平，提升轻暗物质探测灵敏度。通过本项目的研究，在如下方面取得了很好的进展：（1）设计、建造和运行新的高纯锗探测系统，将液氮温区工作的高纯锗探测器的阈值由约450eV降低到小于200eV的当前国际最低值；（2）对12keV以下能区的高纯锗探测系统本底进行深入研究，初步掌握了探测器宇生本底、结构材料和外部伽马射线本底的贡献，对中子本底上限进行了研究和估计，基本确定目前本底水平下中子本底不是主要来源；（3）通过对CDEX各探测器实验数据进行分析，发表了多个暗物质探测灵敏度实验结果，在点电极高纯锗轻暗物质探测方面给出了国际最灵敏的实验结果；（4）利用CDEX实验数据，给出了我国首个轴子暗物质探测实验结果，得到了目前国际上最灵敏的质量低于1 keV的类轴子暗物质粒子探测结果；（5）研究得到了CDEX-1实验Ge-76的0bb能区本底测量结果，并据此给出了我国首个基于Ge-76的0ββ 衰变半衰期测量结果。本项目各项研究工作取得了丰富的成果，为CDEX合作组后续工作奠定了很好的基础。