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 ¡… ¡

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Interna=onal ¡Main ¡Undergound ¡Laboratories ¡

6/9/14 CJPL and CDEX @ DUSEL 3/50

Boulby

ZEPLIN DRIFT

Modane

EDELWEISS

GRAN SASSO

DAMA/LIBRA CRESST WARP XENON

SNO

DEAP/CLEAN PICASSO

DUSEL

LUX

Soudan

CDMS

Kamioka

XMASS

Kamioka

XMASS

Kamioka

XMASS

Y2L

KIMS

CJPL

CDEX PandaX

Comparison ¡of ¡main ¡ULs ¡in ¡the ¡world ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(Unit:M.W.E) ¡

6/9/14 CJPL and CDEX @ DUSEL 4/50

2100m Y2L Korea 2450m Canfranc Spain 2700m Kamioka Japan 2800m Boulby UK 3500m INO India 3500m LNGS Italy 4400m Baksan Russia 4500m DUSEL USA ~7000m 6000m SNO Canada 4800m Modane France ~7200m CJPL China

Tunnel Mine Deep Underground Lab

5/52

CJPL site

Scale 6m 1630m 4193m 4488m 4309m Jinping I Jinping II

N

Ya Long River Ya Long River Power house Location of the hydropower tunnel

2430m

Auxiliary tunnel A 2 3 1 2430m 1900m 2370m Tunnel B and F, 7.5× 8.0m

l Testing tunnels

Tunnel C, 3× 3.2m Tunnel D, 3× 3.2m 2-1 Headrace tunnel no.3, D=12.4m Headrace tunnel no.2, D=13.0m 1800m

Distribution of failure approach index(FAI)

Risk zone

Distribution of local energy released rate (LERR) Risk zone Distribution of the maximum princip Risk zone

CJPL ¡in ¡Jinping ¡Hydroelectric ¡Sta=on

Headrace x 4 Drainage tunnel Traffic Tunnel x 2 Intake Power Station CJPL-I CJPL-II

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 ¡

8/50

Rockburst of 6.3m3 during dig Manual dig work Structure construction in CJPL-I

2010/06/24

Civil work acceptance check

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 PM10 < 10 PM2.5 < 45 PM2.5 < 10

CJPL-Infrastucture

• Underground Laboratory (Inside Tunnel)
• Ground Laboratory (Monitor Building)
• Remote Data Center (Tsinghua Univ.)

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Internet

Radia=on ¡background ¡measure

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

Radia=on ¡Measure ¡of ¡CJPL

6/9/14 第13页

Humidity: 37%; Temperature: 21℃。 Average dose rate of Radon: 34±7Bq/m3(2.6×10-1µJ/m3)

The ¡rela=on ¡between ¡radon ¡ ¡and ¡ ¡ earthquake ¡nearby ¡CJPL

3.22 4.17 4.25 5.09 5.26 6.18 6.23 7.13

Interna=onal ¡Highlight: ¡ 《Science》,《Physics ¡Today》 ¡

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CJPL-­‑II

6/9/14 16/52

headrace tunnels water drainage tunnel auxiliary tunnels

CJPL ¡II

• More Space
• 4000m3 -> 96,000m3
• 60kVA -> 600kVA
• 40m3/h -> 5000m3/h
• More Project
• CDEX-1T
• PandaX-1T
• …..

8 ¡rooms ¡of ¡CJPL-­‑II

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Rock ¡work ¡volume ¡of ¡8 ¡x ¡labs 130591 ¡m3 Concrete ¡work ¡volume 26427 ¡m3 Steel ¡structure 912 ¡T ¡

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

Plan of CJPL-II Civil 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 ¡76Ge ¡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 ¡

¡

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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 ¡ ¡

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Physics ¡Research ¡in ¡CJPL ¡

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Physics ¡Puzzles ¡Today ¡(I) ¡

What is made of dark matter? Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs)? If yes? Mass, spin, coupling to

• rdinary matter,

and other properties? CJPL experiments are fundamental to

• ur understanding of

the Universe

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Physics ¡Puzzle ¡Today ¡(II) ¡

• Today: ¡ ¡
• Standard ¡cosmology: ¡right ¡afer ¡the ¡Big ¡Bang, ¡

B ¡= ¡0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Also, ¡ How ¡did ¡B ¡= ¡0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡B ¡≠ ¡0 ¡? ¡

• An ¡appealing ¡answer ¡is ¡Leptogenesis ¡

B ≡#(Baryons)−#(Antibaryons) ≠ 0

L ≡#(Leptons)−#(Antileptons) = 0 (Fukugita, Yanagida)

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Leptogenesis ¡

• Leptogenesis ¡require ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

• 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 ¡76Ge ¡enriched ¡experiment ¡

¡ ¡ ¡ ¡(2) ¡a ¡tom ¡scale ¡136Xe ¡enriched ¡experiment ¡

ν = ν

−

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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 ¡

Anti- Compton Detector Ge Target Cryostat OFHC

ü Mass of Ge target: 20g, 1000g. ü Point-contact Ge array detector with ultra-low energy threshold (~300eV or less). ü Further ultra-pure crystal serve as active shielding and anti-compton detector.

CDEX-­‑1 ¡low ¡energy ¡spectra

Zhaowei’s talk! Shukui Liu’s talk!

• CDEX-­‑1 ¡1000g

CDEX-­‑1physical ¡result

PRD 88，052004（2013）

CDEX-­‑10kg ¡Experiment ¡

Cooling ¡and ¡Control ¡

L L L L

LAr

GAr

HV ¡and ¡Signals ¡

LAr: ¡Passive ¡shielding ¡+Ac=ve ¡shielding. ¡ Ge: ¡Encapsuled ¡into ¡ ¡copper ¡vacuum ¡ ¡tube. ¡ WLS: ¡Transfering ¡128nm ¡light ¡to~420nm ¡light. ¡

CDEX-­‑10 ¡Layout ¡ Ground ¡tes=ng ¡at ¡SCU ¡this ¡May ¡

9 crystals with LAr 1 crystals with LN2 cool finger

Summary ¡of ¡CDEX

• CDEX ¡has ¡started ¡CDEX-­‑1 ¡experiment, ¡and ¡a ¡first ¡physics ¡result ¡will ¡come ¡soon. ¡ ¡
• The ¡prototype ¡PCGe ¡and ¡BEGe ¡detectors ¡will ¡also ¡scan ¡the ¡76Ge ¡DBD ¡energy ¡

region ¡to ¡learn ¡the ¡background ¡therein. ¡

• CDEX-­‑10 ¡(PCGe+Lar ¡AC ¡) ¡will ¡start ¡ground ¡tes=ng ¡at ¡SCU ¡from ¡this ¡May ¡on ¡and ¡

plan ¡to ¡ship ¡to ¡CJPL ¡from ¡2014. ¡

• CDEX-­‑1T ¡related ¡technologies ¡has ¡been ¡exploited ¡by ¡CDEX ¡including ¡

background ¡understand, ¡detector ¡fabrica=on, ¡crystal ¡growth, ¡electronics ¡and ¡ so ¡on. ¡ ¡

• Based ¡on ¡the ¡low ¡energy ¡spectrum ¡obtained ¡from ¡dark ¡maVer ¡experiment, ¡We ¡

have ¡chance ¡to ¡evaluate ¡the ¡contribu=on ¡of ¡cosmogenic ¡nuclei ¡to ¡the ¡double ¡ beta ¡decay ¡energy ¡region ¡of ¡Ge-­‑76 ¡(2.039 ¡MeV). ¡

PandaX: Particle AND Astrophysical Xenon TPC

China: Shanghai Jiao Tong University Shanghai Institute of Applied Physics, CAS Shandong University Peking University Yalong River Hydropower development company US: University of Michigan University of Maryland http://pandax.org/

PandaX Collaboration

The goal is to build a large- mass two-phase Xe TPC with ultra-low background for dark matter and neutrino-less double beta decay searches. Facilities like cryogenics & purification system, shield,

• uter vessel, etc. are

designed for a ton-scale detector, and the detector itself is designed for easy upgrade.

PandaX Goal

PandaX three stages

Stage-1a will be optimized for light detection to enhance the sensitivity for light WIMPs, while has the capacity to quickly upgrade to ton-scale.

Projected sensitivity

Parameters Stage-­‑1a Stage-­‑1b Light ¡Yield ¡(pe/keVee) 3.3-­‑5.7 1.7-­‑4.4 S1 ¡Window ¡(pe) 3 ¡to ¡[3 ¡+ ¡Ly ¡* ¡10 ¡ keVee] 3 ¡to ¡[3 ¡+ ¡Ly ¡* ¡10 ¡ keVee] ER ¡Rejec=on 99.75% 99.75% NR ¡Acceptance 35% 35% Fiducial ¡Mass ¡(kg) 25 300 Live ¡Day 100 365 Es=mated ¡ Background ¡Events ¡ <1.8 <3.7

Projected sensitivity

Summary of PandaX

• PandaX is a large-scale two-phase LXe TPC dark

matter experiment with three stages.

• With a “pancake” size TPC and optimization of

light detection, stage-1a is enhanced for sensitivity

• f light WIMPs, while keep the capacity for quick

upgrade.

• PandaX-1a is being tested in CJPL and we are

making good progress.

Success of detector-

grade crystal growth with the reduction of spontaneous contamination by working quickly with standardized procedures in a clean small working area filled with hydrogen gas.

Detector-Grade Germanium Crystal growth

Refinement Fabrication challenges have

included understanding growth mechanisms and microscopic

References:

• 1. D.-M. Mei et al., “Underground High-Purity Germanium Crystal Growth”，submitted to the Journal of Crystal growth.
• 2. : G. Yang, et al., Radial and axial impurity distribution in high-purity germanium crystals, Journal of Growth (2012), doi:10.1016/j.jcrysgro.2011.12.042.
• 3. G.-J. Wang et al., Development of large size high-purity germanium crystal growth, Accepted for publication by the Journal of Crystal Growth.

Potential Impact 1. Breeding ultra-high sensitivity

detectors for underground experiments. 2. Single-crystalline high-purity germanium crystals — are ideal for high sensitivity

• ptoelectronic sensors and imaging system. 3. High-purity

single crystals for electronic devices including transistors, diodes, fuel cells, sensors, etc. 4. High efficiency solar cells and solar panels.

control of growth to achieve high quality crystals.

Dash- nicking Control of dislocation

The removal of impurities contained in the starting materials has been done with a well-established zone refinement process. Mobility: >25,000 cm2/Vs Resistivity: >1000 Ω cm Impurity: < 2.5x1011/cm3 Measured at 77 K

Axial crystalline structure

Characterization

• 1. Determine the crystal
• rientation; 2. measure

the dislocation density;

• 3. identify the impurities

and their sources;

1 2 3 3 3 Dislocation density of 3.3x103/cm2 CJPL 6/9/14 39

High-­‑Purity ¡Germanium ¡Crystal ¡Growth ¡

Large size crystals with a diameter of ~11 cm

CJPL 6/9/14 40

Dark matter sensitivity reaches ~10-48/cm2 Neutrinoless double-beta decay reaches 45 meV

Thank

Li ¡Jianmin ¡ Engineering ¡Physics ¡Dept ¡of ¡Tsinghua ¡University ¡ Tel: ¡010-­‑62781403 ¡Cell: ¡13911239065 ¡ Email: ¡leejm@tsinghua.edu.cn

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