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PandaX实验放射性本底控制与分析

王旭明  
【摘要】:暗物质的存在与否是当今基础科学的重大问题之一。位于四川锦屏山的PandaX实验,利用二相型氙时间投影室探测技术,以期对暗物质候选者“大质量弱相互作用粒子”(WIMP,weakly interacting massive particle)进行高灵敏探测。WIMP和物质相互作用的超低截面,使得对探测环境中放射性本底的控制,成为影响实验探测灵敏度的首要因素。本论文将详述为PandaX实验低本底控制而设计建造的两套材料放射性检测站。检测站采用高纯锗探测器特征伽马探测技术,对PandaX-I/II暗物质实验探测器部件材料进行放射性测量及材料筛选。在中国锦屏极深地下实验室环境、主动屏蔽体和祛氡气系统保障的前提下,PandaX-I/II液氙暗物质探测器主要本底来源,被基本限定在探测器部件材料和液氙介质自身放射性杂质两类物质之内。对于探测器部件放射性本底,锦屏材料检测站利用高纯锗半导体探测器放射性探测甄别技术,采用目前全球低本底辐射探测领域有效质量最大的3.69公斤高纯锗半导体探测器获得175%的相对探测效率,并结合锦屏实验室和屏蔽系统的辐射屏蔽能力提升待测样品放射性信号信噪比,在对样品进行非破坏测量原则的基础上,高效地对液氙探测器原材料实施灵敏度高达亚mBq/kg水平的放射性核素含量检测。这种样品放射性检测方法的高效率及高灵敏度,为暗物质实验探测器材料的筛选、精细测量以及本底控制提供了基本保障。因此,对高纯锗材料检测站性能的详细研究、以及相关的运行维护和数据分析,成为PandaX实验本底控制的重要课题。与此同时针对液氙介质自身放射性杂质,基于Geant4框架的蒙特卡洛模拟通过计算机运算重构PandaX-I/II实验液氙内部的详细物理过程,精确给出能量时间符合法测量液氙内部杂质的探测效率,结合实验数据对杂质特征信号的计数测量,推算对应杂质的实际含量。同时本论文也将详述对PandaX-I/II实验放射性本底的蒙特卡洛模拟研究,并与实验数据进行比较。在所有放射性本底来源含量被有效测量的基础上,我们使用蒙特卡洛模拟方法对PandaX-I/II实验本底物理作用过程进行重构,对实验过程中各类本底事例的分布情况做出详细预测。由模拟给出的PandaX-I/II实验最终本底事例率结果与实际数据分析结果达成了很好的符合。以模拟和实际刻度数据的互相印证、互为推演为基础,我们对暗物质实验本底实际数据构成、本底事例物理性质有了更为深刻的掌握,这为WIMP候选事例的本底筛选及信号甄别提供了模型依据,从而为PandaX-I/II实验得出世界领先的WIMP作用截面下限结果奠定了基础。基于对液氙暗物质探测实验各本底来源的控制及最终本底贡献的分析结果,在此基础之上PandaX-II最新公布的物理结果中,对于质量为40GeV的自旋非相关WIMP,其相互作用散射截面的下限值被推进至2.5×10~(-46)平方厘米水平,是当时世界上所得到的最优实验结果。综上所述,本论文研究了PandaX实验的放射性本底控制与分析技术。其中包括:设计和建造了材料放射性检测站,使得检测灵敏度达亚mBq/kg的国内、国际先进水平;利用蒙特卡洛模拟方法,分析了实验中的本底组成。本研究作为PandaX暗物质探测整体项目的重要组成部分之一,不但为实验已取得的世界领先结果(发表时)做出了贡献,并将持续为后续实验升级提供重要支持。


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