DAMA实验新进展
马欣华
2011年3月18日
21世纪第二个十年的宇宙学研讨会
中国、意大利合作，1992至今，20年
Roma2,Roma1,LNGS,IHEP/Beijing
+ by-products and small scale expts.: INR-Kiev, Ukraine
+ neutron meas.: ENEA-Frascati
+ in some studies on bb decays (DST-MAE project): IIT Kharagpur, India
DAMA/LXe
DAMA/R&D
low bckg DAMA/Ge
for sampling meas.
DAMA/NaI
DAMA/LIBRA
1400m rock coverage,
3000m.e.w.
http://people.roma2.infn.it/dama
内容
DAMA/NaI+LIBRA
• 实验原理
• 实验设置
• 实验结果
• 下一步计划
DAMA/NaI+LIBRA ：年调制，模型无关
December 2
60
°
June 2
•
•
•
•
•
vsun ~ 232 km/s (Sun velocity in the halo)
vorb = 30 km/s (Earth velocity around the Sun)
 = p/3
w = 2p/T
T = 1 year
nd
t0 = 2 June (when v is maximum)
v(t) = vsun + vorb coscos[w(t-t0)]
S k  S0,k  S m,k cos[w (t  t0 )]
地球可看作天然的回旋器，造成暗物
质信号的周期性调制变化，暗物质
信号的年周期调制必然具有六个重
要的特征：
1. 呈cosine 函数
2. 周期一年
3. 初相位（极大值处）约为六月二号
4. 调制幅度≤7%（halo分布的要求）
5. 单击中事例
6. 低能区的事例
这六个重要的特征是本底所不全具备
的，因而据此可把 暗物质和本底区
分开。
对探测系统的要求：
低放射性、低本底、低探测阈能、高
灵敏度、大规模、长期观测与长期
稳定性。
DAMA/NaI+LIBRA
我们周围到处
都有暗物质，
能做直接探测
既对重质量暗
物质敏感(I)，
又对轻质量暗
物质敏感(Na)
晶体可以得
到所有的信
号(核反冲 ,
电子反冲,电
磁辐射)
年调制，模
型无关
NaI(Tl)晶体探测器
• 5×5 modules array
• 每个module
– 9.7kg 低本底NaI(Tl)
– 2×石英光导
– 2×PMT
多层屏蔽
在低能区、高能区
都作了精细标定
Installation
Glove-box for
calibration
Electronics +
DAQ
检测/预警系统
三级HPN2
排除氡
在阈能附近的噪音去除
PMT noise
PMT噪音和闪烁信号时间特征不
同，衰减分别为~x10ns,240ns
Single-hit
production data
Scintillation
event
 source
2-4 keV
X2
X2
X1
X1
PMT noise
Scintillation pulses
PSD去除噪音是在数据
分析中唯一采用的步骤
Area (from 100 ns to 600 ns)
;
Area (from 0 ns to 600 ns)
Area (from 0 ns to 50 ns)
X2 =
Area (from 0 ns to 600 ns)
X1 =
4-6 keV
X2
X1
X2
X1
single-hit: 2-6keV模型无关年调制结果
single-hit events
Acos[w(t-t0)] ; continuous lines: t0 = 152.5 d, T = 1.00 y
2-4 keV
A=(0.0183±0.0022) cpd/kg/keV
2/dof = 75.7/79
8.3  C.L.
2-5 keV
A=(0.0144±0.0016) cpd/kg/keV
2/dof = 56.6/79
9.0  C.L.
2-6 keV
A=(0.0114±0.0013) cpd/kg/keV
2/dof = 64.7/79 8.8
 C.L.
运行稳定性
DAMA/LIBRA-1
DAMA/LIBRA-2
DAMA/LIBRA-3
DAMA/LIBRA-4
DAMA/LIBRA-5
DAMA/LIBRA-6
Temperature
-(0.0001  0.0061) °C
(0.0026  0.0086) °C
(0.001  0.015) °C
(0.0004  0.0047) °C
(0.0001  0.0036) °C
(0.0007  0.0059) °C
Flux N2
(0.13  0.22) l/h
(0.10  0.25) l/h
-(0.07  0.18) l/h
-(0.05  0.24) l/h
-(0.01  0.21) l/h
-(0.01  0.15) l/h
Pressure
(0.015  0.030) mbar
-(0.013  0.025) mbar
(0.022  0.027) mbar
(0.0018  0.0074) mbar
-(0.08  0.12) 10-2 mbar
(0.07  0.13) 10-2 mbar
Radon
-(0.029  0.029) Bq/m3
-(0.030  0.027) Bq/m3
(0.015  0.029) Bq/m3
-(0.052  0.039) Bq/m3
(0.021  0.037) Bq/m3
-(0.028  0.036) Bq/m3
Hardware rate
above single
photoelectron
-(0.20  0.18)  10-2 Hz
(0.09  0.17)  10-2 Hz
-(0.03  0.20)  10-2 Hz
(0.15  0.15)  10-2 Hz
(0.03  0.14)  10-2 Hz
(0.08  0.11)  10-2 Hz
各个参量变化很小，对年调制没有贡献
系统误差以及边界反应的研究
Source
Main comment
Cautious upper
limit (90%C.L.)
RADON
Sealed Cu box in HP Nitrogen atmosphere, <2.510-6 cpd/kg/keV
3-level of sealing, etc.
TEMPERATURE
Installation is air conditioned+
detectors in Cu housings directly in contact <10-4 cpd/kg/keV
with multi-ton shield huge heat capacity
+ T continuously recorded
NOISE
Effective full noise rejection near threshold <10-4 cpd/kg/keV
ENERGY SCALE
Routine + instrinsic calibrations
<1-2 10-4 cpd/kg/keV
EFFICIENCIES
Regularly measured by dedicated calibrations <10-4 cpd/kg/keV
BACKGROUND
No modulation above 6 keV;
no modulation in the (2-6) keV
<10-4 cpd/kg/keV
multiple-hits events;
this limit includes all possible
sources of background
SIDE REACTIONS Muon flux variation measured at LNGS
<310-5 cpd/kg/keV
而且，都不满足年调制的六大特征
不可能对年调制结果造
成影响
I128的影响
• 有人提出I128俘获环境
中子，从而产生低能Xrays/Auger electrons,可
能对调制产生影响？
• 经过计算，I128的影响
(红线)与调制信号(黑线)
相比很小
边界反应：宇宙线μ子的影响
• MACRO,LVD,Borexino看到了地下宇宙线μ子流强的幅
度约为2%年调制变化，而且LVD相位是July 15th(185
±15days)(显著性>5σ),这是与地球大气温度变化相符
合的。比较而言，DAMA相位是May 26th(146±7days)，
是与地球速度矢量变化相符合的。两者相差5.6σ。
DAMA: May 26th, (146 ± 7)days
• 估算得到μ子造成的年调制上限
为<310-5 cpd/kg/keV <<年调制量
• single-hit: 年调制只在低能段测到,
而没有在>6keV测到
• multiple-hits: 没有测到年调制
LVD: July 15th, (185 ± 15)days
DAMA/NaI+LIBRA ：年调制，模型无关
single-hit:
2-6keV 8.8σ，
满足全部六大
暗物质年调制
特征
multiple-hits: 没
有年调制信号
single-hit：>6keV
没有年调制信号
系统误差以及边界反
应不可能对年调制结
果造成影响
各稳定性参量变
化很小，对年调
制没有贡献
年调制信号的物理解释：与多种理论模型
相一致，比如
WIMP: SI
15 GeV
100-120 GeV
N.F.W.
Evans power law
WIMP: SI & SD θ = 2.435
15 GeV
N.F.W.
100 GeV
Evans power law
LDM, bosonic DM
mL=0
年调制信号的物理解释：与多种理论
模型相一致，比如iDM
DAMA/NaI+DAMA/LIBRA
Slices from the 3-dimensional allowed volume
•In the Inelastic DM (iDM) scenario, WIMPs scatter
into an excited state, split from the ground state by
an energy comparable to the available kinetic
energy of a Galactic WIMP.
 - + N  + + N
 W has two mass states + , - with  mass splitting
 Kinematical constraint for iDM
1 2
2
v    v  vthr 
2

iDM interaction on Iodine nuclei
DAMA/NaI+LIBRA性能
探测器规模
较大，250 kg
稳定性
好的长期稳定性, 多年连续、安全、可靠的运行
低本底晶体
U-238、Th-232、K-40 达到1 ppt
低本底环境
在深层地下,加上各种屏蔽，并且对运行条件严格控制
低本底
1 event/kg.day.keV at 2 keVee
2010年硬件更新前
2010年硬件更新后
高光产额
5.5-7.5ph.e./keV(PMT QE~30%) 7-10ph.e./keV(PMT QE~40%)
高信噪比
1ph.e. ~ 0.2keVee
1ph.e. ~ 0.1keVee
低探测阈能
10σ~ 2keVee
5-10σ ~ 0.5-1keVee
COGENT,
1002.4703v1
升级后的亮点以及
预计新的结果
阈能0.5keV，事例率0.2count/keV/day/kg
升级后的亮点:
• 新PMT有更高的量子效率，从5.5-7.5ph.e./keV提高到约10ph.e./keV，更低的
探测阈能,噪声1ph.e.(1sigma)，那末探测阈能理想值能达到0.1keV，实验上完
全有把握使阈能降到0.5keV相当于5ph.e.(5sigma)，为探测低质量暗物质提供
了重要条件。
• DAMA探测器具有现有暗物质实验中最低的放射性本底(U-238、Th-232、K40 等 达到1 ppt)，而新PMT有更低的放射性，这样DAMA探测器的本底会更
低
• 在低能区依然保持较强的channeling效应(Quenching factor~1)，
依然是较大规模(250kg)、长期稳定运行，这是保证观测成功的重要条件。
DAMA/LIBRA 下一步工作
• 继续运行，分析新的数据，预期在低质量暗物
质(LWIMP和axion-like)观测将有新结果，并且
可对各种暗物质物理模型给出更强的限定，研
究二级效应
• R&D towards a possible 1 TON ULB NaI(Tl) setup experiment DAMA