暗物质实验中探测器性能实验研究和模拟分析

发布时间：2020-12-04 00:32

　　暗物质是宇宙质量的重要组成部分,对非重子暗物质候选者WIMP的寻找是当今的热点问题。清华大学和韩国汉城大学以及台湾中央研究院合作,提出了采用超低能量阈值HPGe探测器测量低质量WIMP的研究计划。该研究计划使用1kg极高纯度锗晶体作为探测材料,在能量阈值100eV的基础上探测质量范围1-10 GeV的WIMP,这是目前世界上WIMP探测实验的最低能量区域。为了降低本底水平,该研究的实验系统采用低放射性的铅和铜作为被动屏蔽体,CsI（Tl）晶体反符合探测器作为主动屏蔽体,并放置于韩国东北部最小深度700m的Y2L地下实验室进行。目前,一个5g的HPGe探测器原型正在用于初步的测试。在分析了实验室可能的本底来源及其与屏蔽体和探测器的相互作用后,论文采用基于Geant4的蒙卡模拟程序对系统屏蔽体进行了模拟计算。计算结果表明,铅和铜组成的屏蔽体能够很好的屏蔽来自外部环境中的γ射线,而屏蔽材料内部的γ射线可以被CsI晶体探测器很好地反符合掉。宇宙线能量很高,在穿过探测器时会产生很大的信号,因而很容易区分出来。中子由于不带电,屏蔽体的效果稍差;但是由于实验室本身的中子本底通量非常小,其影响可以忽略... 

【文章来源】：清华大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：55 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

漩涡星系M33的转动速度曲线图

图 1.2 所示为各实验组所发表的实验结果，大部分以反应截面－WIMP 质量关系曲线的形式表达，这种曲线被称为排除线，它给出的是一定质量的 WIMP与探测器物质作用截面的上限。DAMA 实验组在 2000 年发表了通过观测地球公转运动引起的年调制现象得到一个封闭式的结果（图中封闭曲线），引起了暗物质研究方面物理学家的广泛注意，但是由于缺乏其它实验结果的支持，目前该结果还未得到证实。甚至有更新的实验组得出了排除该区域的结果，引发了较大的争论。最终的结果还有待更多、更精确的实验来进行验证。

阈值 HPGe 探测器的预计为 100eV。本实验探测器将运行的韩国 Y2L 实验室，屏蔽体采用铜和铅等被动屏蔽材料动屏蔽材料相结合的方法，屏蔽体内部空间充入纯净 N2空间中放射性气体本底的影响。究目标的研究计划将分为两期进行，预期的目标在图 1.3 中用排测系统中所使用的 HPGe 探测器材料为 5g 纯度非常高的数率为 0.1cpd（count/day/kg/keV），将可以在 WIMPs 粒子 的范围作出排除线，如下图所示最上方一条线。如果能性能深入研究的基础上实现本底计数率为 0.01cpd，则可除线。探测系统在第一期的基础上，采用 200 个同样单元的 Ge器探头，晶体总质量达到 1kg。如果仍然能够实现 0.01cp面的排除线，从而全面超越 CRESST 实验的结果。


本文编号：2896720