Under Physics Research in CJPL Xiangdong Ji (Shanghai Jiao - PowerPoint PPT Presentation

Under ¡Physics ¡Research ¡in ¡CJPL ¡ Xiangdong ¡Ji ¡(Shanghai ¡Jiao ¡Tong ¡University) ¡ For ¡Jianmin ¡Li, ¡Jinping ¡Lab ¡Opera=on ¡Director ¡

Outline ： • CJPL-­‑I ¡and ¡CJPL-­‑II ¡ • CDEX ¡and ¡PandaX ¡ • Double ¡beta ¡delay ¡and ¡… ¡ 6/9/14 2/52

Interna=onal ¡Main ¡Undergound ¡Laboratories ¡ SNO CJPL Boulby DEAP/CLEAN CDEX ZEPLIN PICASSO PandaX DRIFT Y2L KIMS Soudan CDMS GRAN SASSO DUSEL Modane DAMA/LIBRA Kamioka Kamioka Kamioka LUX EDELWEISS CRESST XMASS XMASS XMASS WARP XENON 6/9/14 CJPL and CDEX @ DUSEL 3/50

Comparison ¡of ¡main ¡ULs ¡in ¡the ¡world ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(Unit:M.W.E) ¡ 2100m Y2L Korea 2450m Canfranc 2700m Spain Kamioka Japan 2800m Boulby 3500m UK 3500m LNGS 4500m INO Italy DUSEL India 4400m USA ~7200m Baksan Tunnel ~7000m CJPL Russia 4800m China Modane 6000m Mine France Deep Underground Lab SNO Canada 6/9/14 CJPL and CDEX @ DUSEL 4/50

CJPL site Ya Long River N 4193m Jinping II 4488m Location of 1630m the hydropower tunnel Jinping I 4309m Power house 6m 0 Ya Long River Scale 2430m 5/52

l Testing tunnels Tunnel D, 3 × 3.2m 2430m 2370m 1900m 1800m 3 2 1 2-1 Auxiliary tunnel A Headrace tunnel no.2, D=13.0m Headrace tunnel no.3, D=12.4m Tunnel B and F, 7.5 × 8.0m Tunnel C, 3 × 3.2m Risk zone Risk zone Risk zone Distribution of local Distribution of the maximum princip energy released rate (LERR) Distribution of failure approach index(FAI)

CJPL ¡in ¡Jinping ¡Hydroelectric ¡Sta=on Intake Traffic Tunnel x 2 Drainage tunnel CJPL-II Headrace x 4 CJPL-I Power Station n Seven high pressure tunnels: two auxiliary tunnels, one water drainage tunnel and four headrace tunnels n Maximum overburden of 2525 m and principal stress of 70MPa by back analysis n Average length of 16.5km n Excavated mainly in marble by TBM and D&B

Civil ¡Work ¡of ¡CJPL-­‑I ¡ Rockburst of 6.3m 3 during dig Manual dig work 2010/06/24 Structure construction in CJPL-I Civil work acceptance check 8/50

Clean ¡Air ¡System ¡for ¡CJPL Polluted instrument by dust Temporary clean Air system of CDEX Clean air tube (9km) installation Clean room in CJPL-I

Layout of CJPL-I PM10 > 300 PM2.5 < 45 PM10 < 10 PM2.5 < 10

CJPL-Infrastucture • Underground Laboratory (Inside Tunnel) • Ground Laboratory (Monitor Building) • Remote Data Center (Tsinghua Univ.) Internet 6/9/14 11/52

Radia=on ¡background ¡measure Ra-226 Th-232 (Unit ： Bq/kg) K-40 (609keV) (911keV) JinPing Rock < 1.1 1.8±0.2 < 0.27 Sample Beijing Normal ~600 ~25 ~50 Ground Level

Radia=on ¡Measure ¡of ¡CJPL Humidity: 37%; Temperature: 21 ℃。 Average dose rate of Radon: 34±7Bq/m 3 (2.6 × 10 -1 µJ/m 3 ) 第 13 页 6/9/14

The ¡rela=on ¡between ¡radon ¡ ¡and ¡ ¡ earthquake ¡nearby ¡CJPL 7.13 4.25 4.17 5.26 5.09 3.22 6.18 6.23

Interna=onal ¡Highlight: ¡ 《 Science 》 , 《 Physics ¡Today 》 ¡ 6/9/14 CJPL and CDEX @ DUSEL 15/50

CJPL-­‑II headrace tunnels auxiliary tunnels water drainage tunnel 6/9/14 16/52

CJPL ¡II • More Space • More Project • 4000m 3 -> 96,000m 3 • CDEX-1T • 60kVA -> 600kVA • PandaX-1T • 40m 3 /h -> 5000m 3 /h • … ..

8 ¡rooms ¡of ¡CJPL-­‑II Rock ¡work ¡volume ¡of ¡8 ¡x ¡labs 130591 ¡m 3 Concrete ¡work ¡volume 26427 ¡m3 Steel ¡structure 912 ¡T ¡ 6/9/14 18/52

Plan of CJPL-II Civil Work p Jun. 2013 ~ Dec. 2013 : Concept Design p Jan. 2014 ~ May. 2014 : Detail Design p Jun. 2014 ~ Oct. 2014 : Tender Process p Nov. 2014 ~ Dec. 2014 : Contract and approval p Jan. 2015 ~ May. 2015 : Dig and Support p Jun. 2015 ~ Sep. 2015 : Concrete work p Apr. 2015 ~ Jun. 2015 : Flesh air tube work p Oct. 2015 : Civil work Accept Test p Nov. 2015 ~ Jun. 2016 : Infrastructure work

CJPL-­‑II ¡ ¡Plans ¡ Wing-­‑1 ¡Laboratory ¡ • – Germanium-­‑based ¡neutrinoless ¡double-­‑beta ¡decay ¡and ¡dark ¡maVer ¡ experiment ¡ • Aiming ¡to ¡achieve ¡very ¡low ¡threshold ¡(<100 ¡eV) ¡and ¡n/g ¡discrimina=on ¡capability ¡ ¡ • A ¡hybrid ¡of ¡natural ¡and ¡ 76 Ge ¡enriched ¡detector ¡array ¡ • China-­‑US-­‑Germany ¡collabora=on ¡ Wing-­‑2 ¡Laboratory ¡ • – Xenon-­‑based ¡neutrinoless ¡double-­‑beta ¡decay ¡and ¡dark ¡maVer ¡experiment ¡ – China-­‑US-­‑Germanium ¡collabora=on ¡ Wing-­‑3 ¡Laboratory ¡ • – Ge-­‑neutrinos ¡detector ¡ – China-­‑US ¡collabora=on ¡ Wing-­‑4 ¡Laboratory ¡ • – Advanced ¡materials ¡produc=on ¡and ¡characteriza=on ¡ • Zone ¡refining, ¡crystal ¡growth, ¡characteriza=on, ¡and ¡detector ¡development ¡ • Mechanical ¡shops, ¡materials ¡storage, ¡fabrica=on ¡ • Material ¡assay ¡tools ¡ ¡ • China-­‑US ¡collabora=on ¡ ¡ 6/9/14 CJPL 20

China ¡Jingping ¡Laboratory ¡(CJPL) ¡ • Horizontal ¡access ¡to ¡the ¡laboratory ¡ – Large ¡equipment ¡can ¡be ¡directly ¡transported ¡to ¡ experimental ¡site ¡by ¡car ¡ – Personnel ¡access ¡experimental ¡site ¡by ¡car ¡ ¡ • Deepest ¡laboratory ¡in ¡the ¡world ¡ – ~7500 ¡meter-­‑water ¡equivalent ¡ – Muon-­‑induced ¡background ¡is ¡negligible ¡ ¡ ¡ • Lowest ¡natural ¡radioac=vity ¡in ¡the ¡laboratory ¡ – Marble ¡stone ¡with ¡the ¡lowest ¡natural ¡radioac=vity ¡ found ¡among ¡all ¡underground ¡laboratories ¡ ¡ – Less ¡shielding ¡is ¡needed ¡ ¡ 6/9/14 CJPL 21

Physics ¡Research ¡in ¡CJPL ¡ 6/9/14 22/52

Physics ¡Puzzles ¡Today ¡(I) ¡ What is made of dark matter? Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs)? If yes? Mass, spin, CJPL experiments coupling to are fundamental to ordinary matter, our understanding of and other the Universe properties? 6/9/14 CJPL 23

Physics ¡Puzzle ¡Today ¡(II) ¡ • Today: ¡ ¡ B ≡ #( Baryons ) − #( Antibaryons ) ≠ 0 • Standard ¡cosmology: ¡right ¡afer ¡the ¡Big ¡Bang, ¡ B ¡= ¡0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Also, ¡ L ≡ #( Leptons ) − #( Antileptons ) = 0 How ¡did ¡B ¡= ¡0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡B ¡≠ ¡0 ¡? ¡ • An ¡appealing ¡answer ¡is ¡ Leptogenesis ¡ (Fukugita, Yanagida) 6/9/14 CJPL 24

Leptogenesis ¡ • Leptogenesis ¡require ¡ − ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ν = ν • A ¡key ¡experiment ¡to ¡prove ¡is ¡ ¡ – Ton-­‑scale ¡neutrinoless ¡double-­‑beta ¡decay ¡ experiments ¡ ¡ CJPL ¡can ¡hold ¡two ¡ton-­‑scale ¡neutrinoless ¡double-­‑ beat ¡decay ¡experiments: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ (1) ¡a ¡ton ¡scale ¡ 76 Ge ¡enriched ¡experiment ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(2) ¡a ¡tom ¡scale ¡ 136 Xe ¡enriched ¡experiment ¡ 6/9/14 CJPL 25

China Darkmatter EXperiment (CDEX) ¡ ¡ Established in 2009 Tsinghua ¡University, ¡THU ¡ • Sichuan ¡University, ¡SCU ¡ • Nankai ¡Univeristy, ¡NKU ¡ • China ¡Ins=tute ¡of ¡Atomic ¡ • Energy, ¡CIAE ¡ Ertan ¡Hydropower ¡ ¡ • Company, ¡EHDC ¡ Collaborate ¡with ¡TEXONO ¡ • and ¡KIMS ¡group. ¡

CDEX-­‑1kg ¡@ ¡CJPL ¡ ü Point-contact Ge array detector with ultra-low energy threshold (~300eV or less). ü Mass of Ge target: OFHC 20g, 1000g. Anti- ü Further ultra-pure Compton Detector crystal serve as Ge Target active shielding Cryostat and anti-compton detector.

CDEX-­‑1 ¡low ¡energy ¡spectra Zhaowei’s talk! Shukui Liu’s talk!

CDEX-­‑1physical ¡result • CDEX-­‑1 ¡1000g PRD 88 ， 052004 （ 2013 ）

CDEX-­‑10kg ¡Experiment ¡ LAr: ¡Passive ¡shielding ¡+Ac=ve ¡shielding. ¡ Ge: ¡Encapsuled ¡into ¡ ¡copper ¡vacuum ¡ ¡tube. ¡ WLS: ¡Transfering ¡128nm ¡light ¡to~420nm ¡light. ¡ HV ¡and ¡Signals ¡ Cooling ¡and ¡Control ¡ GAr LAr L L L L

CDEX-­‑10 ¡Layout ¡ Ground ¡tes=ng ¡at ¡SCU ¡this ¡May ¡ 9 crystals with LAr 1 crystals with LN2 cool finger