基于液氩的地下暗物质探测的研究

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诸多证据证明宇宙中有大量的暗物质存在。通过天文观测,我们知道宇宙中暗能量的份额为68.3%,暗物质所占份额为26.8%。现阶段理论学家们对暗物质的存在形式有不同的理论预言,其中WIMP是受关注最多的一种暗物质模型。  对于WIMP直接探测来说,液氩是一种非常优秀的靶物质。它有着优秀的粒子分辨能力,很高的光产额(40000/MeV),比较容易达到的液化点以及低廉的价格等优势。这就使液氩探测器在暗物质直接探测领域具有自身独特的优势。  DarkSide-50实验,位于LNGS地下实验室,采用气液两相TPC探测器。在WIMP直接探测实验中,压低本底对于实验的成败至关重要。DarkSide-50实验通过控制探测器材料和实验环境的天然放射性、LSV和WCD对于本底的防护和标记、PSD的粒子分辨以及位置重建等手段来压低本底。  通过位置重建,可以扣除探测器表面的本底事例。本文研究了通过加权最小二乘法的方法进行的位置重建。在位置重建中,通过修正后的蒙特卡罗数据获得最初的光响应函数(LRFs),然后通过迭代的方法获得更准确的LRFs。并通过对延迟关联事例的分析,获得了0.61±0.09cm的位置分辨率。本文也介绍了探测器的能量刻度、粒子分辨以及LSV探测器和WCD探测器对于中子和宇宙线的标记的分析。  在大质量暗物质探测器中,单相液氩探测器有着技术成熟、光产额高、阈值低的优势。本文重点研究了100吨的单相液氩探测器的优点。  单相探测器更高的光产额主要来自于PMT覆盖率的提高和没有外加电场。通过光学模拟,100吨的单相液氩探测器可以达到6.1p.e./keV的光产额,比不加电场的两相TPC高出约35%。由于更高的光产额,单相探测器的PSD粒子分辨能力可以超过108。  本文对探测器的β/γ反冲本底,核反冲本底,宇宙线本底进行了模拟,通过高效的PSD,中子反符合和有效体积的手段,探测器在100t·year的曝光量下的本底预期小于0.6个。并由此获得的自旋无关的反应截面下限为: WIMP质量为100GeV处,自旋无关的反应截面为3×10-48cm2;在质量为1TeV处,自旋无关的反应截面为10-47cm2。  利用液氮的冷却系统,和国产的氩气净化系统,搭建了一个稳定的液氩小模型探测器。并通过使用22Na放射源的刻度,液氩小模型在511keV的γ粒子下的光产额为1.59±0.02 p.e./keVee。对液氩小模型的研究为今后有可能的国内大质量液氩探测器做了技术储备。
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