收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

低能核反冲在液氙暗物质探测器中的发光和电离效率

慕巍  
【摘要】:大质量弱相互作用粒子(weakly interacting massive particles WIMPs)是目前暗物质粒子的最具吸引力的候选之一。近二十年来,无数暗物质探测实验被开发用于WIMPs粒子的直接探测。其中,液氙探测器是所有直接探测试验中最有希望的一种。液氙探测器用来探测暗物质粒子(WIMPs)与探测器中原子发生弹性散射作用所引起的核反冲,从而达到对暗物质粒子的直接探测的目的。当液氙探测器中的某个氙原子与暗物质粒子发生弹性散射,该原子会获得大约几到几十千电子伏特(keV)的动能成为一个反冲原子。反冲原子在探测器介质中运动并减速,在此期间会激发或者电离探测器中其他原子,产生实验中容易探测到的瞬时发光信号(以下简称为发光信号)S1或者电离正比发光信号(以下简称为电离信号)S2。其中发光信号是由激发电子退激发,或者被电离电子与负离子重新结合并退激发而产生,而电离信号则是由于被电离的电子在外加电场作用下,漂移到气态探测器室中而产生。在液氙探测器中,有两个重要的参数,即相对发光效率(relative scintillation e?ciency Leff)和电离效率(ionization yield Qy)。这两个参数有效地的将实验易探测到发光信号S1或者电离信号S2与暗物质粒子(WIMPs)在探测器中原子反冲的初始能量联系起来。如果Leff或者Qy能够精确的计算出来,那么结合实验对原子反冲所产生的发光信号S1或者电离信号S2测量,实验学家可以重构原子反冲的能量,从而对暗物质粒子的相关性质进行进一步分析。原则上讲,Leff和Qy可以通过实验进行测量。然而这项任务在低能原子反冲区却很有挑战性。大多数实验通过中子源来产生核反冲,从而模拟暗物质粒子产生的原子反冲信号来测量Leff和Qy,但是实验的性质决定了核反冲的能量越低(keV能量区域附近),该实验的系统误差就会越大。同时,由于轻暗物质粒子(WIMPs)的质量多数在几个吉电子伏特(GeV)左右,其产生的原子反冲能量多数在数个千电子伏特(keV)。针对这种情况,本文对液氙探测器在低能区的发光和电离过程进行了详尽的研究和理论分析,并且对Leff和Qy在低能区的行为做出了相应的理论预测。基于Lindhard的基本积分方程以及二体碰撞模型,我们开发了一个计算机程序来模拟原子反冲在液氙探测器中的减速过程。利用该程序,我们可以计算出原子反冲在减速过程中的电子能损的具体数值。通常来说,这个数值与原始原子反冲能量的比值被称为Lindhard系数(Nuclear Quenching Factor qnc)。从而可以进一步来计算发光信号和电离信号的数量。为了得到qnc在低能区的精确值,我们对低能区的氙原子在液氙介质中的电子能损的过程,现存的理论模型,以及实验数据进行了分析,对传输截面法(Transport Cross Section)求电子能损Se的方法做了修正,从而重新计算了Se。我们的理论结果与中等能量区域(40到100千电子伏特)的实验结果符合得很好。为了进一步计算光信号和电离信号的数值,我们对电子与负离子的结合过程进行了分析,修正并推广了现有的Thomas-Imel模型。通过该修正,我们预测了电子与负离子在外场下的结合效率,从而能够精确计算出发光信号和电离信号的数值。将我们所做的研究结合起来,我们得到Leff和Qy在低能区的理论预测值。我们对Leff和Qy的理论预测与中子散射实验的测量结果符合的很好。在无实验数据区域(低于3千电子伏特的区域),我们所预测的Leff迅速降低。该现象与之前文献中所做的假设相矛盾。我们所预测的Qy随着原子反冲能量的降低而升高,在2到3千电子伏特的区域达到最大值。这个预测结果可以将探测器的探测极限进一步降低到大约1千电子伏特左右。由于电离信号相对易于探测,该预测有可能被实验进一步证实或者证伪。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 刘佳;殷鹏飞;朱守华;;暗物质的理论研究进展[J];物理;2009年12期
2 常进;;暗物质粒子探测:意义、方法、进展及展望[J];工程研究-跨学科视野中的工程;2010年02期
3 李丹丹;;暗物质问题[J];硅谷;2010年15期
4 毕效军;秦波;;暗物质及暗物质粒子探测[J];物理;2011年01期
5 周宇峰;;暗物质问题简介[J];物理;2011年03期
6 李金;;暗物质的直接实验探测[J];物理;2011年03期
7 倪凯旋;魏月环;;基于液氙的暗物质直接探测[J];中国科学:物理学 力学 天文学;2011年12期
8 余钊焕;陈璟锟;姚道新;王青;张宏浩;;暗物质直接探测实验现状[J];中山大学学报(自然科学版);2012年03期
9 黄瑶瑶;徐庆君;;浅谈暗物质的直接探测[J];杭州师范大学学报(自然科学版);2013年06期
10 杨金民;;暗物质之谜[J];物理教学;2011年08期
11 陈学雷;;暗物质研究述评[J];科技导报;2006年01期
12 李昕;岳骞;李元景;李金;何道;金善基;郭正元;王子敬;;低能量阈高纯锗探测器用于暗物质探测实验研究(英文)[J];高能物理与核物理;2007年06期
13 陈拖顺;;对以太、惯性和暗物质的新认识[J];科技信息(学术研究);2007年23期
14 李兴华;达道安;邵明学;杨亚天;;涡旋星系暗物质平均质量密度的估算[J];福建师范大学学报(自然科学版);2008年05期
15 张技;;非重子暗物质综述[J];科教文汇(上旬刊);2009年06期
16 肖飞;;暗物质的观测证据[J];湖北第二师范学院学报;2009年08期
17 郝永亮;;涡旋星系暗物质的无粘滞流体模型[J];科协论坛(下半月);2011年01期
18 任海涛;;暗物质之谜[J];楚雄师范学院学报;2011年03期
19 白临武;王永平;;试用暗物质理论解释惯性和惯性力的物理机制(上)[J];航天控制;2011年05期
20 毕效军;;暗物质间接探测现状[J];中国科学:物理学 力学 天文学;2011年12期
中国重要会议论文全文数据库 前4条
1 苏景顺;;物质 暗物质 反物质——关于物质概念的发展综述[A];数学·物理·力学·高新技术研究进展——2000(8)卷——中国数学力学物理学高新技术交叉研究会第8届学术研讨会论文集[C];2000年
2 王舟;鲍磊;郝熙欢;巨永林;;暗物质探测器用液氙低温精馏系统的研制与结果分析[A];上海市制冷学会2013年学术年会论文集[C];2013年
3 孙希磊;吕军光;胡涛;周莉;曹俊;王贻芳;占亮;章爱武;周详;段斯涵;丁雪峰;张坤;王志刚;蔡啸;俞伯祥;方建;谢宇广;高龙;牛顺利;孙丽君;;暗物质探测双发光晶体技术[A];第十六届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集(上册)[C];2012年
4 李金;;暗物质的实验探测器[A];第十二届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集[C];2004年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 陈亚正;暗物质直接探测中核效应的研究[D];南开大学;2012年
2 何钰;非热起源暗物质模型中微波背景涨落和大尺度结构的研究[D];西南交通大学;2014年
3 任祥祥;PandaX地下暗物质实验电子学与数据获取系统的研制[D];山东大学;2015年
4 张志永;空间暗物质探测卫星BGO量能器的研制与标定[D];中国科学技术大学;2015年
5 黄熙;中子星作为限制暗物质的探针研究[D];华中师范大学;2015年
6 吴昱城;超低能量阈高纯锗探测器的暗物质直接探测[D];清华大学;2013年
7 柯继伟;超出标准模型新物理的两个例子:暗物质和超对称[D];浙江大学;2014年
8 冯磊;暗物质和暗能量若干问题的研究[D];南京大学;2012年
9 陈楠;Z′及CDEX相关的暗物质理论研究[D];清华大学;2014年
10 丁然;暗物质和最小cascade seesaw模型的唯象研究[D];南开大学;2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 赵斌;标量暗物质模型研究[D];华中师范大学;2015年
2 郑云龙;超致密暗物质晕的相关研究[D];南京大学;2014年
3 吕翔;银河系伽马射线超出及理论解释[D];浙江大学;2015年
4 杜迎帅;CDEX-10中液氩探测系统的建立与信号分析[D];东华理工大学;2014年
5 张永杰;电性件塑闪阵列探测器的研制[D];西北师范大学;2015年
6 慕巍;低能核反冲在液氙暗物质探测器中的发光和电离效率[D];上海交通大学;2014年
7 丁然;暗物质湮灭对暗晕密度轮廓的影响[D];上海师范大学;2010年
8 何道;暗物质实验中探测器性能实验研究和模拟分析[D];清华大学;2006年
9 郭萌;暗物质天体存在的可能性及其观测[D];东北师范大学;2008年
10 万能;电子对撞机上暗物质与Z玻色子伴随产生的研究[D];安徽大学;2015年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978