利用PandaX液氙探测器寻找低质量暗物质.doc

利用PandaX液氙探测器寻找低质量暗物质众多的天文观测与大尺度结构模拟都显示有宇宙间暗物质存在的证据。在近三十年间被称为WIMP(弱相互作用重粒子)的粒子因其能够匹配现今宇宙的暗物质密度,在暗物质直接探测领域得到了广泛关注。在现今的暗物质直接探测技术中,使用液氙作为探测介质的二相型时间投影室技术(LXe-TPC)是目前最为主流的一项探测技术。其主要优势在于对伽马本底很好的辨别排除能力,以及高质量的事例三维重建能力。二相型液氙时间投影室的高本底排除效率源于在液氙中伽马本底产生的电子反冲和暗物质可能产生的核反冲间电离与闪烁信号比例的差异。目前对于液氙中的低能信号响应模型并没有达到可靠的精度。其中需要完善的有在低能区(几keV)电子反冲的光子电子产生率,以及对伽马本底排除率极限的相关问题。在本论文第三章中将介绍一套小型二相型液氙时间投影室的开发与构建,涵盖对其真空制冷、气液循环、数据采集和数据分析系统的介绍。所研发的探测器在试运行中得到了较高的能量分辨率,适合用于研究液氙中低能量的电子和核反冲信号。本论文将在第四章中详细阐述使用该小型二相型液氙时间投影室探测低能反冲信号的过程,以及我通过所得数据构建的信号模型。该信号模型更新了已有模型中对于低能电子反冲以及液氙中反冲分辨能力上理解的不足。测量结果对利用液氙探测器寻找暗物质可能产生的电子反冲信号[1,2]起到了参考作用。同时也为下一代液氙探测器的优化给出了方向。本论文在第五章中将详细介绍PandaX暗物质直接探测实验的数据分析。PandaX是中国第一个使用二相型液氙时间投影室技术的暗物质直接探测实验。它坐落于拥有目前世界最低宇宙线本底的四川锦屏地下实验室CJPL(6900多米等效水深)。PandaX一期探测器利用扁平状的灵敏区域设计增大探测器光采集效率,力求提升对于低质量暗物质的探测灵敏度。本论文第五章将介绍由作者开发的名为PandaXRawPulseAnalyser(PRP)的数据分析系统,以及利用PandaX第一批数据对于低质量暗物质的分析研究。该结果排除了先前其他暗物质探测实验给出的低质量暗物质可能的参数区域[3–6]。