基于PandaⅩ-Ⅱ实验探测WIMP与原子核自旋相关的反应

论文摘要

物理学界最有名的故事之一就是“两朵乌云”,这个故事也激励着一代又一代物理学家不懈奋斗,勇于探索未知。物理学走到今天,虽然标准模型的巍峨大厦看起来不可突破,但也有越来越多的发现超出标准模型的框架,例如中微子,暗物质,暗能量,这些都是目前物理学界最前沿的课题。与此同时,人类的探测手段更加的丰富,引力波的发现让天文学进入了双信使时代,黑洞照片的公布也印证人类观测能力的增强,新一代超级加速器也在论证之中。从天文现象到宇宙演化的很多的证据让我们深信暗物质的存在,以我们对客观世界的认识也让我们深信暗物质由暗物质粒子组成,弱相互作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particle,WIMe,P）是最有希望的候选者[76]。为了揭开这朵新的“乌云”,人们从天上地下寻找暗物质粒子的踪迹,PandaⅩ实验就是其中一个地下暗物质直接探测实验。PandaX实验是由上海交通大学牵头发起,使用液氙作为探测媒介,实验室坐落于四川省西昌市的中国锦屏地下实验。目前正在进行的是580kg级的PandaX-Ⅱ实验,是目前世界上在运行的最大最灵敏的暗物质直接探测实验之一。截止到目前,实验还没发现任何弱相互作用大质量粒子,实验结果进一步压缩了其可能存在的参数空间。按照稀有物理发现的规律,突破性的物理结果往往就是在于坚持实验或不经意发现之中。世界各个暗物质探测组都在升级探测设备,就液氙暗物质直接探测技术来说,增加体积和压低本底是两大方向。PabdaⅩ合作组正在升级PabdaⅩ-4T实验,总共可以容纳6吨液氙,也有更加严格的本底控制。山东大学从2009年就成为PandaX合作组成员,本人从2015年参与到Pan-daX实验,此时PandaⅩ-Ⅱ已经完成了搭建,在之后的测试和运行中,每年有超过150天在现场参与工作,逐渐深入的了解探测器。我承担了 PandaⅩ-Ⅱ实验中的部分数据分析工作,包括单电子信号,探测器均匀性修正,探测器刻度等。作为主要完成人完成了暗物质与原子核自旋相关的反应分析的工作。本文章节如下安排:第一章为绪论,介绍目前暗物质探测的实验组及其进展;第二章介绍液氙作为暗物质探测媒介的性质;第三章介绍PandaⅩ-Ⅱ实验的组成;第四章介绍PandaⅩ-Ⅱ实验对信号的响应;第五章介绍探测器的刻度;第六章给出最终结果数据分析及总结展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 1 绪论
•   1.1 暗物质存在的证据
•     1.1.1 星系旋转曲线
•     1.1.2 引力透镜
•     1.1.3 宇宙微波背景辐射
•     1.1.4 暗物质候选粒子
•     1.1.5 超对称模型和WIMP miracle
•     1.1.6 WIMP反冲事例率
•   1.2 探测暗物质
•     1.2.1 暗物质直接探测
•     1.2.2 暗物质间接探测
•     1.2.3 对撞机探测暗物质
•   1.3 论文章节的安排
• 2 基于两相型液氙的时间投影室技术
•   2.1 氙的物理性质
•   2.2 氙的光电特性
•     2.2.1 电离特性
•     2.2.2 发光特性
•   2.3 两相型液氙探测器
• 3 PandaⅩ-Ⅱ实验介绍
•   3.1 中国锦屏地下实验室,CJPL
•   3.2 探测器组成部分
•     3.2.1 屏蔽体
•     3.2.2 制冷系统
•     3.2.3 循环系统
•     3.2.4 时间投影室（Time Projection Chamber,TPC）
•     3.2.5 光电倍增管
•     3.2.6 刻度系统
•     3.2.7 慢控制系统和数据监测系统
•     3.2.8 DAQ系统
•     3.2.9 材料检测站
•     3.2.10 其余系统
•   3.3 PandaⅩ-Ⅱ时间表
•   3.4 PandaⅩ-Ⅱ离线软件
•   3.5 PandaⅩ-Ⅱ位置重建
• 4 探测器响应
•   4.1 光电管增益（Gain）刻度
•     4.1.1 Gain的稳定性
•     4.1.2 双光电子发射
•     4.1.3 光电管饱和
•   4.2 单电子增益
•     4.2.1 单电子事例的选择
•     4.2.2 单电子事例的能谱
•     4.2.3 S2 bottomonly SEG
•   4.3 ZLE效率的刻度
•     4.3.1 使用LED数据刻度ZLE效率
•     4.3.2 使用AmBe数据刻度ZLE效率
•   4.4 探测器不均匀性的修正
•     4.4.1 Xe TPC常见刻度源
•     4.4.2 单次散射和多次散射
•     4.4.3 不均性修正
•     4.4.4 S2修正中的饱和问题
•   4.5 电光反相关图
• 5 PandaⅩ-Ⅱ低能事例刻度
•   5.1 NEST Model
•     5.1.1 NSET model介绍
•     5.1.2 NSET模型的涨落
•   5.2 低能NR事例刻度
•     5.2.1 Am-Be中子源刻度
• 252Cf刻度'>    5.2.2²⁵²Cf刻度
•   5.3 低能ER事例刻度
• 127Xe和⁸³Kr的低能事例'>    5.3.1¹²⁷Xe和⁸³Kr的低能事例
• 3T'>    5.3.2 CH₃T
•     5.3.3 Rn-220刻度
•   5.4 NR和ER的区分
• 6 PandaX实验中的低能本底和最终候选事例
•   6.1 低能ER本底
• 85PKr'>    6.1.1⁸⁵PKr
• 220Rn和²²²Rn'>    6.1.2²²⁰Rn和²²²Rn
•     6.1.3 材料放射性
• 127Xe和CH₃T本底'>    6.1.4¹²⁷Xe和CH₃T本底
•     6.1.5 其他ER本底
•   6.2 中子本底
•   6.3 偶然符合本底
•     6.3.1 独立S1的筛选
•     6.3.2 独立S2的筛选
•     6.3.3 随机匹配独立的S1和S2
•   6.4 PandaⅩ-Ⅱ最终暗物质候选事例
• 7 暗物质与原子核自旋相关的反应
•   7.1 WIMP-原子核自旋相关的反应
•   7.2 Profile likelihood fitting
•   7.3 PandaⅩ-Ⅱ WIMP与原子核自旋相关反应的实验结果
• 8 总结和展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 燕斌斌

导师: 王萌,刘江来

关键词: 暗物质,刻度,自旋相关

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,物理学,核科学技术

单位: 山东大学

分类号: O572.212;O571.4

DOI: 10.27272/d.cnki.gshdu.2019.000316

总页数: 180

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