基于地下实验室的暗物质直接探测实验

 暗物质研究是当前基础物理研究的前沿热点课题之一,对天体物理学、宇宙学和粒子物理学等学科的发展具有十分重要的意义。暗物质的直接探测实验是进行暗物质研究的手段之一,也被认为是最为重要的一种方法。本文介绍:暗物质的不同探测方法、暗物质直接探测实验的原理;国际上主要的地下实验室、针对轻质量和重质量暗物质进行直接探测的典型实验及目前取得的进展;下一代实验将面临的挑战和机遇。     

高纯锗探测器应用于稀有事例探测的研究进展

高纯锗探测器（HPGe）对于低本底稀有事例探测的发展具有重要的意义．本文介绍了HPGe的工作原理及其制备工艺，分析了对探测器起关键作用的钝化层和死层部分，并讨论了降低本底的关键技术．对于HPGe应用于包括暗物质探测和无中微子双贝塔衰变的稀有事例探测实验的进展，重点介绍了应用HPGe的CDEX、SuperCDMS、GERDA、MAJORANA等国际领先的稀有事例探测合作组相关实验技术和物理进展，进一步分析了HPGe用于下阶段国际稀有事例探测的发展方向．      

5~10 MeV能区γ本底对锦屏深地核天体物理反应测量的影响探究

天体物理感兴趣能区(伽莫夫窗口)的带电粒子核反应截面极小,在地面进行测量会受到宇宙射线诱发本底的严重干扰．进行地下实验室核反应测量成为解决这一问题的主要途径．锦屏深地核天体物理实验（JUNA）装置是我国首个地下核天体反应测量设施,为开展恒星核合成关键反应直接测量提供了绝佳机遇．本工作测量了锗酸铋(BGO)探测阵列和溴化镧(LaBr₃)探测器在JUNA装置上的γ本底能谱,并通过减小符合时间、点火数选择、粒子甄别等技术,进一步压低了5~10 MeV能区的γ本底,同时讨论了探测器本底对部分JUNA计划开展的核天体反应测量的影响．      

我国将在2500米下建暗物质探测实验室

5月8日,清华大学和二滩水电开发有限责任公司签订战略合作协议,协议的一项重要内容是,在覆盖层深度达2500米以上的锦屏山引水隧洞旁,设立我国第一个极深地下暗物质探测实验室,"在这个世界上具有暗物质研究最好环境条件的实验室,研究暗物质有望为物理学作出贡献"。清华大学副校长康克军说。     

单晶体多电极读出高纯锗探测器76Ge的0νββ甄别研究

⁷⁶Ge的无中微子双贝塔(0νββ)衰变探测实验中本底抑制十分关键,单电子(本底事例)和双电子(0νββ事例)事例甄别因其信号特征区分度极小而十分具有挑战性.本文针对单晶体多电极读出的高纯锗探测器建立了波形模拟研究方法,对双面交叉条型多电极高纯锗探测器的位置分辨能力进行了研究.同时通过搭建light GBM模型,对多电极高纯锗探测器各个电极所收集的模拟波形进行分类训练.结果表明,该结构的多电极高纯锗探测器在电极分布方向具有良好的位置敏感特性,同时可以通过两端电极过中时间差确定粒子作用深度.基于所搭建的light GBM模型对0νββ双电子事例的识别效果为68.4%.经验证,所训练light GBM模型在保证0νββ信号事例没有被明显抑制的基础上,对本底中68Ge和60Co抑制效果相对显著,甄别前后分别可以被抑制3.33倍和2.66倍.结果表明,单晶体多电极读出的高纯锗探测器对于⁷⁶Ge的0νββ衰变探测的应用具备可行性,为将来在中国锦屏地下实验室对⁷⁶Ge的0νββ衰变实现event-by-event搜寻提供了重要参考.     

DAMA实验新进展

DAMA实验正在意大利国家核子研究所（I.N.F.N.）的格朗萨索国家实验室（LNGS）运行.DAMA实验主要研究银河系银晕内的暗物质粒子.目前的DAMA/LIBRA采用的是250kg高放射性纯度的NaI（Tl）晶体,加上第一代实验DAMA/NaI（约100kgNaI（Tl）晶体）,DAMA实验已经积累了13个年周期的数据,总曝光量高达1.17ton·yr,观测到显著性为8.9σ的与模型无关的暗物质年调制信号,这是银河系银晕内存在暗物质粒子的证据.本文描述DAMA实验的设置运行情况以及近期主要物理结果.     

基于Geant4模拟的康普顿散射研究

在暗物质直接探测实验当中,高能gamma射线是重要的本底来源之一.高能光子由于康普顿散射的原因会在高纯锗探测器中会产生低能本底. CDMSlite实验中发现低能区域的康普顿能谱存在康普顿台阶,脉冲近似(Impulse Approximation, IA)理论解释了台阶出现的原因是原子中电子处于束缚状态,它使用散射函数来描述电子的束缚效应.为了探究这些台阶与散射函数以及入射能量之间的关系,我们使用Geant4程序对康普顿散射中的康普顿台阶进行了研究.研究发现随着初始光子能量增高,K壳层与L壳层的康普顿台阶会变得越来越平缓,直至斜率趋近于零.     

暗物质的天文学探测

 暗物质和暗能量是宇宙主要的组成部分,被认为是"笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云",是基础物理与宇宙学研究最前沿的方向之一。对暗物质突破性的研究进展将极大促进人们对基本自然规律以及宇宙演化的理解。国际上对暗物质的研究极为重视,美国和欧洲都为之进行了详细周密的规划,开展了一系列的相关项目规划。中国也将暗物质的研究纳入了中长期规划,在过去的几年中国在暗物质探测方面实现了长足进步,在四川锦屏山地下实验室开展多项暗物质直接探测试验,暗物质粒子卫星作为中国空间科学先导专项的首发星,也是中国发射的第1颗天文卫星,2015年12月成功发射。通过观测暗物质粒子湮灭后的粒子产物,有可能在间接探测方向实现对暗物质研究的革命性突破。本文简介暗物质概念提出的历史与暗物质探测的天文学观测手段。     

环境中子测量中的偶然符合alpha事例修正

在暗物质直接探测实验中,中子是十分重要的环境本底.利用快慢符合法,一个掺钆的液闪探测器被分别用于测量了世界最深的地下实验室-中国锦屏地下实验室的实验大厅及1 m厚聚乙烯房间内的快中子本底通量及能谱.由于液闪无法通过信号波形区分中子与alpha事例,因此液闪中长寿命的U/Th核素衰变放出的alpha粒子是必须考虑的本底之一.在长期平衡假设条件下,实验测得液闪内部alpha粒子的总计数率为(0.548±0.002) s~(-1),再通过偶然符合算法,可得到实验大厅356天总计2682个中子候选事例中,有6个偶然符合的alpha事例;聚乙烯房间173天总计44个中子候选事例中,有2个偶然符合的alpha事例.偶然符合的alpha粒子对大厅的快中子通量测量结果影响可以忽略,而对聚乙烯房间中的通量结果约有4%的影响.     

中微子和暗物质物理的关联研究

中微子质量起源和暗物质本质是粒子物理和宇宙学前沿的重要科学问题,相关研究是探索超出粒子物理标准模型新物理的重要途径.近二十多年来,中微子和暗物质理论和实验研究均取得了重要进展.本文简单介绍了中微子和暗物质理论和实验研究的进展和展望,特别是两者之间的交叉关联研究.     

2021年粒子物理学热点回眸

粒子物理学是研究微观物质基本组成及其相互作用的前沿基础学科.聚焦粒子物理领域的几大研究热点方向——暗物质物理、中微子及粒子天体物理、缪子反常磁矩、重味物理与强子物理、希格斯物理与电弱物理及其他超标准模型新物理现象寻找,回顾了2021年粒子物理领域所取得的重要进展,并对相关方向的未来研究前景及未来大科学工程计划作了初步的...     

新型气体探测器MRPC

介绍了新型探测器多气隙电阻板室（Multi-gap Resistive Plate Chamber,MRPC）在中国十多年的发展.伴随着在相对论重离子对撞机（Relativistic Heavy Ion Collider,RHIC）上STAR实验的成功运行和在带电粒子鉴别方面的突出作用,MRPC技术在高能核与粒子物理领域逐渐得到广泛应用,有力地促进了相关物理课题的研究.     

The moment of truth for WIMP dark matter

We know that dark matter constitutes 85 per cent of all the matter in the Universe, but we do not know of what it is made. Amongst the many dark matter candidates proposed, WIMPs (weakly interacting massive particles) occupy a special place, because they arise naturally from new theories that seek to extend the standard model of particle physics. With the advent of the Large Hadron Collider at CERN, and a new generation of astroparticle experiments, the moment of truth has come for WIMPs: either we will discover them in the next five to ten years, or we will witness their inevitable decline.     

液氩探测器的低温PMT性能测试

中国暗物质实验(China dark matter experiment,CDEX)拟使用液氩探测器作为高纯锗探测器的反符合探测器,其使用的光电倍增管(photomultiplier tube,PMT)需能长期稳定地工作在液氩温度(87.3 K)下.PMT在使用前,须掌握其在低温下的性能情况.文章分别在室温和低温环境中测试了ETL 9357FLA型光电倍增管,获得了单光电子响应、暗计数率以及低温环境中运行的稳定性等重要实验结果.通过详细地对比和分析室温和低温环境中PMT的性能表现,确认该型PMT能在低温环境中正常运行.     

2016年粒子物理学热点回眸

 盘点了2016年粒子物理学的研究热点,在希格斯物理、新物理直接搜索方面提高了测量精度,积累了大量数据;中微子物理方面θ₁₃的测量精度提高到了4%;低能强相互作用物理方面确认了5夸克态的存在,同时发现多个可能的4夸克态;暗物质搜索方向全面压低WIMP粒子及其他类型暗物质粒子同普通物质相互作用的截面。     

双四元数形式的电磁理论

利用双四元数,将只存在电荷的经典电磁理论推广同时存在电荷和磁荷的电磁对称的理论.在双四元数表述下,出电荷磁荷系统的Hamilton作用量和对应的Lagrange函数,并从作用量原理出场方程和场中带电磁荷粒子的运动方程.分析这些方程,证明在只存在电荷情况下新理论与通常的电磁理论一致;在电荷和磁荷都存在的情况下,新理论不仅是经典理论的推广,而且与其他考虑电荷磁荷的电磁理论有原则上的区别.新理论出了电荷（或磁荷）产生的场对磁荷（或电荷）没有电磁作用,特别是电荷粒子与磁荷粒子（磁单极子）之间无电磁相互作用的论.最后,据新的双四元数电磁理论讨论了3个物理问,（i）对磁单极子探测实验的负果出新的释,即这种负果不能否定磁单极的存在,而是表明探测实验的原理需要修正;（ii）出磁单极子类型的物质是一种暗物质的假设;（iii）对分数电荷现象出一种释,即存在带不同类型电磁荷的粒子.     

浅谈暗物质的直接探测

讨论了同时利用中国的暗物质直接探测实验CDEX和PandaX靶核的反冲能量数据及相关的线上数据分析系统AMIDAS重建暗物质粒子的质量和一维速度分布函数的可行性．结果表明：结合CDEX和Pan—daX未来的实验数据，对于较轻的暗物质粒子（质量约小于175OeV），AMIDAS可以很好地重建其质量．     

2017年粒子物理学热点回眸

 2017年高能物理领域的探究主要围绕标准模型的高精度检验、新物理的探寻这2个方面前进。本文盘点2017年在标准模型的检验与新粒子直接探测、重味物理与CP破坏、量子色动力学与强子物理、中微子物理、暗物质探测5个方面取得的进展,并对高能物理的未来发展作一展望。