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中國暗物質實驗

中國暗物質實驗（英語：China Dark Matter Experiment，英語縮寫：CDEX）是一項在中國錦屏地下實驗室開展的、利用直接探測法探測大質量弱相互作用粒子暗物質的科學研究工作。它是中國錦屏地下實驗室在2012年12月正式投入使用後的第一個實驗項目[1]。2013年[2]和2014年[3][4]CDEX合作小組分別發表了三批實驗數據[5]。

發展歷史和實驗結果

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2003年, 清華大學的研究人員通過理論研究和分析, 提出了利用極低能量閾值的高純鍺探測器進行輕質量的大質量弱相互作用粒子的直接探測計劃並開展了相關的實驗研究[5]。2004年, 清華大學成立了暗物質研究組並利用韓國Y2L地下實驗室開始了利用極低能量閾值的高純鍺探測器進行暗物質直接探測的實驗研究。2007年, 由中央研究院主導的、清華大學暗物質研究組參與的TEXONO實驗組發表了第一個暗物質直接探測實驗的物理結果, 確定了利用極低能量閾值的高純鍺探測器探測輕質量大質量弱相互作用粒子的可行性[6]。

2009年中國錦屏地下實驗室開始建設,2010年12月正式投入使用，該地下實驗室為暗物質探測等需要低本底背景輻射的實驗提供了非常好的實驗條件[1]。2011年, CDEX合作組利用單體質量為20g的極低能量閾值高純鍺探測器首次在錦屏地下實驗室中開展暗物質直接探測實驗CDEX-0項目的測試運行後得到了177eVee的能量閾值，在10GeV以下的質量區域得到了比2007年TEXONO更加靈敏的結果[3]。在隨後的CDEX-1項目的第一階段測試中運行了單體質量為1kg的極低能量閾值高純鍺探測器得到了約400eVee的能量閾，經分析得到了中國第一個自主暗物質直接探測實驗的物理結果[2]。接着加裝了NaI(Tl)反符合探測器的極低能量閾值高純鍺探測器進行第二階段的測試，排除了採用相同技術的美國CoGeNT得到的信號區域[4]。2014年, CDEX-10的第一個3單元極低能量閾值高純鍺探測器陣列開始測試，藉此提高暗物質的探測靈敏度[5]。

前景

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中國暗物質實驗不僅將在錦屏地下實驗室繼續CDEX-1實驗的數據採集，研究項目還將在CDEX-1實驗的基礎上組裝靶材質量達到10kg的極低能量閾值高純鍺探測器陣列置於液氬中,利用液氬起冷卻探測器陣列和主動屏蔽作用的同時將液氬作為閃爍探測器開展CDEX-10實驗[7]。今後隨着更大體積的錦屏地下實驗室二期的建成,研究項目還計劃開展利用置於液氬中的噸級規模探測器陣列進行CDEX-1T實驗[7]。

實驗裝置及技術

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CDEX使用放置於NaI(Tl)內的p型點電極高純鍺作為極低能量閾值的高純鍺探測器，NaI(Tl)作為反符合探測器能夠有效地降低本底背景輻射[5][8]。

參考資料

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  1. ^ 1.0 1.1 吳世勇, 申滿斌, 程建平, 岳騫. 国际地下实验室发展综述 (PDF). 物理. 2011, 40 (3): 149–154 [2015年12月13日]. （原始內容存檔於2016年3月5日） （中文）. 2010年7月，中國錦屏地下實驗室內第一個暗物質實驗項目———中國暗物質實驗（China Darkmatter Experiment, CDEX）正式開始了其暗物質實驗屏蔽體的建設工作，並於2010年9月完成屏蔽體建設工作。2010年12月12日，中國錦屏地下實驗室正式投入使用。CDEX項目組率先利用中國錦屏地下實驗室開始了其基於點接觸技術的、極低能量閾高純鍺探測器直接探測暗物質實驗項目的探測器系統安裝和調試。 
  2. ^ 2.0 2.1 Zhao W, Yue Q, Kang K J; et al. First results on low-mass WIMPs from the CDEX-1 experiment at the China Jinping underground laboratory.. Phys. Rev. D. 2013, 88 (5): 052004. arXiv:1306.4135  . doi:10.1103/PhysRevD.88.052004 （英語）. 
  3. ^ 3.0 3.1 Liu S K, Yue Q, Kang K J; et al. Limits on light WIMPs with a germanium detector at 177 eVee threshold at the China Jinping Underground Laboratory. Phys. Rev. D. 2014, 90 (3): 032003. arXiv:1403.5421  . doi:10.1103/PhysRevD.90.032003 （英語）. 
  4. ^ 4.0 4.1 Q. Yue et al. (CDEX Collaboration). Limits on light weakly interacting massive particles from the CDEX-1 experiment with a p-type point-contact germanium detector at the China Jinping Underground Laboratory. Physical Review D. 10 November 2014, 90 (9): 091701(R) [2015-12-13]. arXiv:1404.4946  . doi:10.1103/PhysRevD.90.091701. （原始內容存檔於2022-04-23） （英語）. 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 5.3 趙偉, 岳騫, 李金. 中国暗物质实验(CDEX)合作组研究进展. 科學通報. 2015, 50 (25): 2376-2386. doi:10.1360/N972014-01285 （中文）. 
  6. ^ Lin S, Li H, Li X; et al. New limits on spin-independent and spin-dependent couplings of low-mass WIMP dark matter with a germanium detector at a threshold of 220 eV.. Phys. Rev. D. 2009, 79 (6): 061101 [2015-12-13]. arXiv:0712.1645  . doi:10.1103/PhysRevD.79.061101. （原始內容存檔於2022-01-27） （英語）. 
  7. ^ 7.0 7.1 Shukui Liu and Qian Yue. Status and prospects of the China Dark Matter Experiment. J. Phys.: Conf. Ser. 2015, 606: 012001. doi:10.1088/1742-6596/606/1/012001 （英語）. 
  8. ^ CDEX collaboration. Introduction to the CDEX experiment. Frontiers of Physics. 1 August 2013, 8 (4): 412–437 [2015-12-13]. arXiv:1303.0601  . doi:10.1007/s11467-013-0349-1. （原始內容存檔於2019-06-29） （英語）. 
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