CDEX-1点电极高纯锗探测器高能区伽马和中子本底研究

发布时间：2020-09-08 19:31

　　暗物质直接探测实验和无中微子双贝塔衰变实验是当前物理领域具有重大意义的前沿课题。由于具有低本底、低阈值及高能量分辨率等特点,高纯锗探测器尤其是点电极高纯锗探测器在这两类实验中都有非常重要的应用并占有重要的地位。这些实验的关键均在于建立尽可能低的本底环境,对实验结果的解释也依赖于对实验谱本底成分及贡献的理解。对实验测量谱高能区的本底分析是无中微子双贝塔衰变实验的重要内容,而基于低能区与高能区的密切联系,高能区本底分析对暗物质能区(12 keV)本底理解也具有重要参考意义。本课题主要内容是基于CDEX-1的1 kg级点电极高纯锗探测器,对高能区(500~3000 keV)本底进行分析。首先研究并建立了高能区数据处理方法,根据探测器前放输出信号特点,分析了Inhibit周期带来的效率问题并给出了相应的修正方法,通过波形信息提取、信号甄别、能量刻度和效率修正分别给出了两个测量阶段的高能区能谱。鉴于对高能区本底理解的需求,本课题根据CDEX-1探测系统结构特点和伽马本底的分布特点,使用Geant4模拟给出了宇生核素以及天然放射性核素在探测器系统不同位置的响应能谱。通过实验数据与模拟数据的对比分析,根据宇生核素的特征X射线峰或γ峰确定了相应宇生核素的本底贡献,根据拟合的方法确定了来自不同位置的天然放射性核素的本底贡献,并在此基础上分别建立了两个测量阶段的高能区(500~3000 keV)本底模型,分析了本底构成特点。对于中子本底,一方面,本课题研制了基于波形甄别和符合测量技术相结合的载钆液闪探测器,并成功应用于地下实验室极低计数率的快中子本底测量;另一方面,使用~(252)Cf中子源研究了CDEX-1探测器的中子响应能谱特点;结合两方面的研究,对CDEX-1实验谱中子本底进行了评估。基于对高能区的本底理解,本课题根据CDEX-1第二阶段测量的304 kg·day数据,对~(76)Ge的Q_(ββ)能区进行了分析,使用拟合的方法给出了对0ββ衰变的测量结果N~(0ν)=0,使用Profile Likelihood方法给出了测量结果所对应的0ββ衰变半衰期下限T~(0ν)_(1/2)≥6.43×10~2 ~2yr,90%C.L.。
【学位单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TL816
【部分图文】：

暗物质,物理学发展,引力效应,基本相互作用

直接探测实验、无中微子双贝塔衰变实验等。介质的相互作用截面非常小或者半衰期非常因为如此，此类实验对探测器的灵敏度和环境及其探测宙中大量存在的不产生电磁辐射，也不与电式被直接观测到的物质。根据引力效应，暗物实，比如对星系中可见物质运动速度、引力透景辐射等的研究[1-5]。事实上，暗物质在目前要的角色，根据普朗克天文望远镜给出的观测规物质仅占总质量的约 4.9%，而暗物质和暗除了在宏观宇宙构成、宇宙演化过程中扮演重何种性质还涉及到基本粒子、基本相互作用为是 21 世纪物理学发展面临的几个关键难题

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图 1.2 双贝塔衰变示意图图 1.3 双贝塔衰变费曼图，(a) 2νββ；(b) 0νββ；( , ) ( , 2 )2 +2eA Z A Z e ν → + + ( A, Z ) ( A, Z 2 )2e → + +

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4图 1.3 双贝塔衰变费曼图，(a) 2νββ；(b) 0νββ；( , ) ( , 2 )2 +2eA Z A Z e ν → + + ( A, Z ) ( A, Z 2 )2e → + + 如图 1.4 所示，2νββ衰变产生的为连续电子谱，而 0νββ衰变由于仅产生则会形成一个单能峰，0νββ实验就是要实现对该单能峰的测量。根据原阵元可知，0νββ的衰变概率与中微子的质量有关，可以根据对 0νββ衰变确定中微子的质量。如上所述，中微子质量问题涉及到超越标准模型的众问题，因此 0νββ实验是非常重要的，它的实验结果对粒子物理、天体物学都会产生重大的影响。目前世界范围内也有众多的实验组开展了 0νββ实验测量的核素不尽相同，使用的探测器也多种多样[38]。表 1.2 列出了主

【参考文献】