极低能量阈高纯锗阵列探测器直接探测暗物质实验中的物理和关键技术问题研究

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。理论研究表明，降低探测系统的能量阈值，可以大大提高探测器对暗物质按测得灵敏度。本项目拟采用极低能量阈高纯锗探测器开展暗物质实验探测，研究属于国际前沿课题，物理意义重大。.本项目在前期开展20g和500g单体质量的极低能量阈高纯锗探测器实研究的基础上，结合国际相关暗物质研究发展情况和一年来项目组在探测技术方面的研究进展，拟利用我国已建成的极深地下实验室，研究基于点电极技术的极低能量阈高纯锗探测器技术，掌握极低能量阈高纯锗阵列探测器测量暗物质实验中的相关物理和关键技术问题，开展暗物质直接探测实验，取得国际一流的暗物质直接探测实验结果，并为未来开展十公斤级、百公斤级、乃至吨量级的高纯锗探测器直接探测暗物质的实验计划奠定物理和探测技术基础。

暗物质探测是粒子物理、天体物理和宇宙学等领域的重大研究课题。WIMP是最有可能的暗物质候选者，其质量可能区间在1GeV-1000GeV之间。近年来国际暗物质研究热点逐步从几十GeV的高能WIMP粒子的寻找转向质量小于10GeV的交情暗物质粒子WIMP的找寻和实验探测。暗物质理论预计降低探测器能量阈不仅可以降低可探测暗物质WIMP粒子的质量下限，还可以按指数规律提高可探测到的暗物质与探测器靶核相互作用的事例率。本项目主要对于质量为1kg的电接触技术高纯锗探测器的原型进行模拟设计、研制和实验研究，并开展了未来高纯锗探测器配套液氩低温反符合探测器的关键技术研究。.. 在1kg量级实验方面，本项目开展了高纯锗探测器的模拟研究，设计并研制了基于P型高纯锗晶体的国际上单体质量最大的点接触电极高纯锗（PCGe）探测器。在完成一系列基本测试和参数确定工作后，从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，得到了很多非常宝贵的实验数据。课题组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以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以下直到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。.. 在10kg量级实验方面，模拟和设计了总质量为3kg的三单元结构高纯锗探测阵列系统原型，并完成了首个3kg探测器阵列单元的研制工作。在液氩低温反符合探测器方面，开展了液氩饭符合探测器的关键技术研究，模拟设计、工程建造和测试了10kg量级高纯锗探测器阵列系统配套的液氩低温反符合系统。.. 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，研究了未来吨量级高纯锗探测器暗物质直接探测实验的液氩反符合探测器关键技术，为未来我国吨量级高纯锗暗物质实验奠定了技术基础。