用于暗物质探测的极低能阈HPGe探测系统的实验研究

暗物质探测是粒子物理、宇宙学等领域的重大研究课题。WIMP是最可能的暗物质候选者，能量约在1－1000GeV之间。目前国际上各实验组所用探测器能量阈多为2keV以上，可测量的WIMP质量下限约为10GeV。理论预计降低探测能量阈值可以按指数规律提高事例率水平，降低可测量的WIMP质量下限。.本项目采用世界上阈值最低(小于300eV)的四通道20g（4×5g）极低能阈HPGe阵列探测系统和单体质量500g的大质量极低能量阈HPGe探测系统对WIMP进行探测研究。探测系统位于700米深地下实验室,运行探测器，研究探测系统的各项实验性能，测量得到WIMP质量及其与靶物质作用截面等重要参数。预期在低质量区（<10GeV）给出国际上最好的暗物质探测结果。本项目在国际上首次采用低能阈HPGe探测器阵列系统探测低能量WIMP，并为未来吨量级高纯锗探测器项目开展预研，研究处于国际领先水平，物理意义重大。

本项目主要是采用质量为20g的极低能量阈高纯锗探测器阵列系统和质量为1kg的电接触技术高纯锗探测器系统，开展低质量区间的暗物质WIMP粒子的探测和研究。.在20g高纯锗阵列探测器系统方面，从2011年开始，逐步开始对该探测器系统进行了初步性能测试确定其基本参数、搭建了主动和被动相结合的屏蔽体，并建立了配套电子学系统、实验数据获取系统和离线实验数据分析系统。在此基础上，开展了利用这个20g的极低能量阈高纯锗阵列探测器直接探测暗物质的实验。通过连续的实验运行和数据获取，共得到约180天的有效实验数据。对这些实验数据进行了离线数据分析，利用其中一个质量为5g的晶体探测器得到了约150eV的国际上高纯锗探测器方面最低的能量阈。利用该探测器测量的本底能谱，项目组给出了在暗物质质量3GeV以下区间国际最灵敏的暗物质灵敏度实验结果。本实验结果即将发表。.本项目还开展高纯锗探测器的模拟研究，设计并研制了基于P型高纯锗晶体的点接触电极高纯锗（PCGe）探测器，主要是在不显著增加高纯锗探测器能量阈值情况下，大幅提升高纯锗探测器的单元质量，为未来更大规模的吨量级高纯锗暗物质实验开展原型探测器技术和性能研究。经过前期模拟设计和研究，计划中的PCGe探测器质量从500g提升到了1000g，成为国际最大单体质量的点电极高纯锗探测器。2012年开始，实验组正式利用这个质量为1kg的PCGe探测器开始暗物质研究。通过2012和2013年的实验运行，得到了很多非常宝贵的实验数据。课题组首先分析了部分实验数据，得到了点电极高纯锗探测器领域国际上最低的400eV的能量阈值、以及在1keV一下最低通量的高纯锗探测器能谱。该能谱是我国首次实验测量得到10keV一下直到400eV范围内的低能X射线能谱，特别是宇生放射性核素产生的低能X射线，并观测到了一些短寿命核素的衰变过程。利用这部分实验数据得到的能谱，研究组开展物理分析，2013年项目组在Physical Review D上发表了我国首个暗物质灵敏度实验结果，达到了国际一流水平，使得我国暗物质实验研究结果首次出现在国际第一阵营，使得我国暗物质实验研究开启了一个新的时代。.本项目的研究对于理解高纯锗探测器性能和本底来源、掌握高纯锗探测器研制技术起到了非常重要的作用，为未来我国开展吨量级高纯锗探测器暗物质直接探测实验奠定了高纯锗探测器技术基础。