PandaX-‑4T ¡Xenon ¡Detector ¡For ¡Rare ¡ Physics ¡Search Ning ¡Zhou ¡(SJTU) On ¡behalf ¡of ¡PandaX Collaboration TIPP2017 2017/05/22-‑26, ¡Beijing 1
Outline • Motivation • PandaX experiment • 4-‑ton ¡LXe detector – TPC – Electronics – Background ¡control – Xenon ¡handling • Outlook 2
Motivation • LXe Detector ¡for ¡measuring ¡rare ¡physics ¡events • Dark ¡Matter ¡Direction ¡Detection – Xenon ¡detectors ¡leading ¡sensitivity ¡for ¡massive ¡DM ¡ – Cross-‑check ¡with ¡indirect ¡detection ¡and ¡collider ¡search • Neutrinoless double ¡beta ¡decay – 136 Xe → 136 Ba + 2e - – Majorana neutrino? ¡Anti-‑matter? ¡Neutrino ¡mass? ν ν 10 +12 pp pp F. Ruppin et al., 1408.3581 pep • Neutrino ¡detection hep Neutrino Flux [cm -2 .s -1 .MeV -1 ] Z 10 +10 7Be 384.3keV N 7Be 861.3keV 10 +08 8 B 8B ν 13N N ν – Neutrino-‑nucleus ¡coherent 10 +06 15O 17F dsnbflux 8 10 +04 dsnbflux 5 Z – Solar ¡ 8 B, ¡DSNB dsnbflux 3 10 +02 DSNB AtmNu e N AtmNu ebar atm 10 +00 AtmNu mu AtmNu mubar 10 -02 N 10 -04 3 0.1 1 10 100 1000 Neutrino Energy [MeV]
PandaX Experiment • P article ¡ and A strophysical ¡ X enon ¡Experiments – Formed ¡in ¡2009, ¡~50 ¡people • PandaX-‑II ¡500kg ¡results ¡published ¡at ¡PRL – World-‑leading ¡sensitivity ¡in ¡2016 • Plan ¡to ¡build ¡a ¡4-‑ton ¡Xenon ¡detector ¡ – to ¡push ¡the ¡DM ¡SI ¡sensitivity ¡down ¡to ¡10 -‑47 cm 2 PandaX-‑ -‑III: Phase II: Phase I: PandaX-‑ -‑xT: 200 kg to 1 ton 500 kg DM 120 kg DM multi-‑ -‑ton DM 136 Xe 0vDBD 2009-‑ -‑2014 2014-‑ -‑2017 2016-‑ -‑ 2016-‑ -‑ 4
Detector ¡Principle • Double ¡phase ¡Xenon ¡Time ¡Projection ¡Chamber – Mature ¡technique – Sensitive ¡to ¡massive ¡DM ¡candidate ¡ il – Self-‑shielding ¡property – Signal/background ¡discrimination in – … he of • Dark ¡matter ¡detection ¡in ¡Xenon ¡detector le- – Incoming ¡DM ¡collide ¡with ¡Xenon ¡atom – Two ¡signatures • S1 : scintillation ¡light ¡in ¡LXe upon ¡scattering • S2 : scintillation ¡light ¡in ¡GXe due ¡to ¡ionization ¡electron – Reconstruct ¡the ¡collision ¡energy ¡and ¡3-‑D ¡position 5
China ¡Jinping ¡Underground ¡Laboratory • De Deepest ¡ ¡in ¡ ¡the ¡ ¡world ¡ ¡( ¡ ¡1µ/w /week/m /m 2 ) ¡ ) ¡ • Ho Horizontal ¡ ¡ac access! ¡ ¡ 6
PandaX Experiment ¡Space ¡at ¡CJPL-‑II ¡ Water ¡tank • Height ¡14m • Width ¡14m • Length ¡65m • Water ¡tank, ¡depth ¡of ¡13m Storage platform crane Crane rail Rn free clean Purge room room office Semi clean room 10000 class clean room 7
Overview ¡of ¡PandaX-‑4ton ¡experiment Storage/Filling • Cooling Purification PMT / ¡Recuperation ADC Electronics Xenon ¡ Handling Trigger Low ¡Bkgd Measurement Xenon ¡ Bkgd Drift ¡ Rectifying Control Chamber Water ¡ Electric ¡ TPC Screening Field Veto ¡ System 8
Large ¡Scale ¡TPC ������ �� • Drift ¡region: ¡ F ~1.2m , H ¡ ~1.2m – Xenon ¡in ¡sensitive ¡region ~ 4ton ������������ • Design ¡goal: �������2���� Top ¡PMT ¡array, ¡3” �������� – High ¡signal ¡efficiency �������%� ���������� – Large ¡and ¡uniform ¡electric ¡field Top ¡Cu ¡plate ���� ���������� – Veto ¡ability ��������� Teflon ¡ ����� ����������� ��� supporter Electrodes ¡ ����� and ¡shaping ¡ ��� rings ������ Bottom ¡Cu ¡ ���� ��S��� �������� plate ������ �� �������� ���� Bottom ¡PMT ¡array ¡ �������2���� ������������ �������%� 3” ! Veto ¡System ���2����� 9 ������ �������� ����2���� ��1������ � ������2 � ������8�� ��9����� �S����2 ��� ����������� ����������� ����� � ��)������������������s������ ),. �m� �����业s���~���������������s������ � ) ��m��� G:�A� ���?��~����������������C� ��r��������������?�����������m������ �����~���—?��s������—�������������� ���C( ��rm�� C( ������ C��C( ������������~� �s�×��������r��������r���两�m������ C( ��� C� ���������������m��������������� �������C(��s�±������������C(��������m ��sC� � C( �������������������������m��� �������������������sC( ������—�������
� �� � 电压下工作时, 图 ���� �������� 实验中使用的一英寸和三英寸光电倍增管实物照片。 ��������� 是一英寸的方形光电管,有 �� 个达拿级。其外形尺寸为 ���� ���� �� ,最 小的有效光电接收面为 ���� ���� �� , 即最小光电覆盖面 ����� , 光电管高度为 ���� �� 。 ��������� 光电管能够在 ���� � 到 ��� � 的温度范围内正常工作,并且可以承受 最小 � 个大气压的绝对压强。 ��������� 光电管最高可以加 ��� 伏的电压,而在 ��� 伏 其典型的单光电子增益为 ��� �� , ��� ��������� 即达拿级可以将一个光电子放大 �� 倍。 ���������� 使用陶瓷芯柱绝缘,是 � 英寸的圆形光电管。其直径为 �� �� ,高 ��� �� 。最小的有效光电面直径为 �� �� ,即最小光电覆盖面 ����� 。 ���������� 型光电管同样可以在 ���� � 到 ��� � 的温度范围内正常工作,并能够承受 � 个大气压 的绝对压强。其有 �� 个达拿级,最高能加 ���� 伏的电压。在 ����� 电压下工作时,典 型的单光电子增益为 ��� 。不论是 ��������� 还是 ���������� ,其响应速度都很 快,分别为 ��� �� 和 ��� �� 。 ��� ���������� 来是 ��� 中的一部分,但是由于其特别重要,所以我们在本章节中单独予以介绍。 ����� 上海交通大学博士学位论文 图 � ���� 给出了这些光电管的实物照片。在 �������� 实验中, ��������� 光电倍管的系 买。顶部光电管我们选用的是 ��������� 系列;而底部光电管则是选用 ���������� 。 。我们所使用的光电管都是从日本滨松光电子公司( ��������� )购 暗物质的“眼睛” 。所以,光电管也被称作寻找 ����� 一步在氙气中电致发光产生的比例发光信号( �� ) 光电管,来测量探测器液氙内能量沉淀所产生的初级光信号( �� )以及电离的电子进 在 �������� 实验中,我们使用光电倍增管( ��������������� ����� , ���� )或简称 光电倍增管系统( ��� ������ ) 列编号为 ������ ,而 ���������� 的系列编号有两种, ������ 和 ������ 。光电管本 �������� 实验的设置 第三章 Signal ¡Collection ¡Efficiency • In ¡PandaX-‑II, ¡photon ¡detection ¡efficiency ¡reaches ¡11.76% • PMT: ¡Hamamatsu ¡R11410 ¡with ¡QE ¡> ¡30% PTFE ¡ reflectors • Light ¡collection ¡efficiency: ¡~40% – High ¡reflectivity ¡of ¡PTFE ¡(full ¡coverage): ¡>98% – PMT ¡dense ¡array: ¡169 ¡in ¡circular ¡array ¡and ¡199 ¡in ¡hexagonal ¡array 10
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