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基于CDEX-1B点电极高纯锗探测器的暗物质直接探测

杨丽桃  
【摘要】:众多的天文观测证据显示宇宙中存在大量的暗物质,并且暗物质在物质起源和宇宙演化过程中具有十分重要的地位。弱相互作用大质量粒子是目前最流行的暗物质候选者之一。近年来,多个实验组先后宣称在10 GeV/c~2附近发现疑似暗物质信号,与其他实验相矛盾,使得低质量暗物质探测成为当前暗物质研究的热点。本课题基于在CDEX-1A原型探测器基础上升级的CDEX-1B点电极高纯锗探测器进行暗物质直接探测。旨在建立公斤量级极低阈值高纯锗探测器的暗物质直接探测系统,有效提高更低质量暗物质的探测灵敏度。本课题设计和研究更低阈值的点电极高纯锗探测器为更大规模高纯锗暗物质实验奠定了重要基础,对未来的阵列探测器意义重大。本课题设计和研制了包括CDEX-1B点电极高纯锗探测器、碘化钠反符合探测器、数据获取系统、屏蔽系统、监测系统等组成的暗物质直接探测系统,并研究了实验系统的性能参数。使用公斤量级的点电极高纯锗首次实现低至160 eVee的能量阈值。实验系统连续稳定运行3.3年,获取了783天的有效本底数据。本课题建立了一套完善的数据处理流程,尤其是发展了基于上升时间分布PDF和计数率比例的体事例/表面事例甄别方法,显著降低能量分析阈值至160 eVee。利用783天的有效本底数据,经过数据处理得到了总曝光量为737.1公斤·天的物理事例能谱。扣除锗晶体内部宇生放射性核素的特征X射线的贡献,得到了在~2 keVee以下存在上升趋势的剩余能谱。基于737.1公斤·天的有效本底数据和160 eVee的能量阈值,利用WIMP散射模型和分区间泊松法对暗物质候选事例能谱进行了物理分析,给出了10 GeV/c~2以下置信度为90%的自旋无关和自旋相关暗物质灵敏度曲线,将采用单体公斤级的点电极高纯锗探测器进行暗物质直接探测实验的探测限下推至2 GeV/c~2。对于自旋无关反应,得到了6 GeV/c~2以下同类探测器国际最灵敏的水平;对于自旋相关反应,达到了4 GeV/c~2以下国际最灵敏的水平。得益于极低的能量阈值和更好的上升时间分辨能力,CDEX-1B还给出了一些更精细的结构,包括低能区康普顿台阶、超快体事例等,尤其是首次在高纯锗探测器上看到的低能区康普顿台阶。这些精细结构的出现对于暗物质直接探测实验中的本底理解非常重要。


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