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超低能量阈高纯锗探测器的暗物质直接探测

吴昱城  
【摘要】:暗物质是21世纪物理学最基本的课题之一。暗物质研究对于认识宇宙的起源、演变以及物质的本源、相互作用都有着十分重要的意义。近年来,10GeV·c-2以下低质量区域的暗物质粒子直接探测成为了暗物质研究的一个焦点。 本课题作为中国暗物质实验(ChinaDark matter EXperiment,CDEX)研究项目的第一步,使用高纯锗探测器在10GeV·c-2以下的低质量区进行暗物质粒子的搜寻。 为了降低环境本底对事例率的影响,实验选在了世界上岩石覆盖最深的中国锦屏地下实验室(China JinPing underground Laboratory,CJPL),构建了包括聚乙烯、铅、无氧铜等在内的优良的被动屏蔽系统,并且采用碘化钠探测器搭建了反康普顿主动屏蔽系统。为了获得低的能量阈值,本课题以20g超低能量阈高纯锗探测器为主体建立了包括探测器及液氮灌装系统,电子学信号处理及数据获取系统,数据采集软件系统三大部分的实验测量装置。经过调试与测试,该实验测量装置在9keV以下能区的线性偏离小于0.2%;在5keV的能量分辨率(半高宽)达到约200eV;噪声水平(半高宽)达到约120eV,可以实现220eV的能量阈值。这些性能基本满足低质量区暗物质实验研究的要求。 为了降低噪声和颤噪等干扰,本课题建立了基于信号时间关系以及脉冲形状的分析方法,通过数据质量检查、物理事例筛选及效率修正,最终得出有效的物理事例能谱。 本课题基于42天的实验数据,采用弹性散射理论模型和最大间隙法的统计学方法做了仔细的物理分析,给出了暗物质截面和暗物质质量二维参数的排除线结果。暗物质粒子质量在2-4GeV·c-2区域的测量灵敏度达到了国际最好的水平。 另一方面,为了实现更高的灵敏度,CDEX正在升级更大质量的锗探测器。本课题对1kg P型点接触电极高纯锗探测器进行了测试研究,总结了大质量探测器的一些新的分析方法,为今后开展暗物质研究提供了良好借鉴。 本课题利用20g超低能量阈高纯锗探测器系统地开展了低质量区的暗物质实验研究,是国内的首次尝试。基于0.207kg·day的有效数据,在2-4GeV·c-2的暗物质低质量区达到了国际最灵敏的水平。同时为CDEX今后的暗物质实验研究积累了经验。


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