PandaX地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)電子學(xué)與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的研制.pdf_第1頁(yè)
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1、20世紀(jì)30年代茲威基測(cè)量后發(fā)座星系團(tuán)質(zhì)量時(shí),最早預(yù)言了暗物質(zhì)的存在。之后,Vera Rubin利用測(cè)量電磁波譜的影像管攝譜儀對(duì)仙女座星云(M31)進(jìn)行觀(guān)測(cè)并繪制了旋轉(zhuǎn)曲線(xiàn),測(cè)量發(fā)現(xiàn)仙女座星云中的大部分恒星繞星系團(tuán)中心以相同的速度運(yùn)動(dòng),可能的解釋是漩渦星系中存在大量的有質(zhì)量但是看不見(jiàn)的暗物質(zhì)。之后對(duì)星系團(tuán)引力透鏡、宇宙微波背景輻射的觀(guān)測(cè)和研究從天文學(xué)角度肯定了暗物質(zhì)的存在。天文物理學(xué)家通過(guò)研究普朗克衛(wèi)星探測(cè)的數(shù)據(jù),根據(jù)ΛCDM模型(Λ—

2、—冷暗物質(zhì)模型),計(jì)算得到宇宙的結(jié)構(gòu)構(gòu)成:宇宙中普通物質(zhì)占4.9%,暗物質(zhì)占26.8%,68.3%是暗能量。
  暗物質(zhì)存在的天文觀(guān)測(cè)證據(jù)被確認(rèn)后,理論物理學(xué)家提出眾多的暗物質(zhì)候選者。暗物質(zhì)候選者中,包括熱暗物質(zhì)、冷暗物質(zhì)和溫暗物質(zhì)。熱暗物質(zhì)可以很好地解釋宇宙中超星系團(tuán)這類(lèi)特大尺度的結(jié)構(gòu),而冷暗物質(zhì)能更好的解釋星系、星系團(tuán)等等的結(jié)構(gòu)。溫暗物質(zhì)理論是近期形成的理論,兼顧熱暗物質(zhì)和冷暗物質(zhì)的特點(diǎn)。根據(jù)ΛCDM模型,理論估計(jì)宇宙中83%

3、的物質(zhì)以冷的、不發(fā)光的、低碰撞界面的非重子暗物質(zhì)構(gòu)成。而旨在解決級(jí)列問(wèn)題的幾種理論預(yù)言了穩(wěn)態(tài)大質(zhì)量弱相互作用粒子(WIMPs)是宇宙暗物質(zhì)的主要構(gòu)成。WIMPs與普通物質(zhì)的相互作用非常微弱,只參與弱相互作用和引力相互作用,理論根據(jù)模型已經(jīng)計(jì)算出粒子和已知標(biāo)準(zhǔn)模型中粒子的相互作用截面。
  自20世紀(jì)起,粒子物理學(xué)家積極地通過(guò)實(shí)驗(yàn)去探測(cè)、尋找暗物質(zhì)。除天文觀(guān)測(cè)可以間接驗(yàn)證暗物質(zhì)存在,尋找WIMPs粒子的方法有三種:地下暗物質(zhì)低本底直

4、接探測(cè)實(shí)驗(yàn),非直接探測(cè)實(shí)驗(yàn),大型加速器暗物質(zhì)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)。直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)是通過(guò)測(cè)量暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)原子核的碰撞散射信號(hào)尋找暗物質(zhì)。非直接探測(cè)是測(cè)量暗物質(zhì)湮滅信號(hào)驗(yàn)證暗物質(zhì)存在性。直接探測(cè)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)以低溫晶體探測(cè)器和低溫惰性氣體探測(cè)器為代表。非直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)以衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)為代表。加速器實(shí)驗(yàn)的代表是歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)實(shí)驗(yàn)。
  2013年,LUX(The Large Underground Xenon Experiment)實(shí)驗(yàn)在暗

5、物質(zhì)直接探測(cè)領(lǐng)域取得了相當(dāng)高靈敏度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,實(shí)驗(yàn)基于85.3天的118公斤核心靶區(qū)液氙的探測(cè)數(shù)據(jù),沒(méi)有找到可信的暗物質(zhì)信號(hào)。LUX實(shí)驗(yàn)在90%置信度基礎(chǔ)上,對(duì)與自旋無(wú)關(guān)的WIMP與氙原子核相互作用截面給出上限:對(duì)于質(zhì)量為33GeV/c2WIMP粒子,相互作用截面上限為7.6×10-46cm2。
  2013年,AMS-02(Alpha Magnetic Spectrometer)衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)對(duì)宇宙線(xiàn)正電子譜進(jìn)行測(cè)量,發(fā)現(xiàn)正電子比(宇

6、宙線(xiàn)中正電子數(shù)與正負(fù)電子總數(shù)的比例)在0.5-10GeV范圍內(nèi)隨能量增長(zhǎng)而減小,在10GeV-250GeV范圍內(nèi)隨能量增長(zhǎng)而增大。然而正電子比分在20GeV-250GeV能量范圍內(nèi),增速在不斷下降,有跡象表明譜型在高于250GeV的能量區(qū)間內(nèi)會(huì)變得平坦,但是實(shí)驗(yàn)在250GeV以上的能譜需要更大的統(tǒng)計(jì)量和實(shí)驗(yàn)精度。
  2014年,Super-CDMS(Super Cryogenic Dark Matter Search)實(shí)驗(yàn)在暗物

7、質(zhì)非直接探測(cè)模式中找到了11個(gè)疑似事例。實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)量達(dá)到577kg-days,找到11個(gè)WIMPs粒子疑似事例。實(shí)驗(yàn)在90%置信度基礎(chǔ)上,對(duì)與自旋無(wú)關(guān)的WIMP與氙原子核相互作用截面給出上限:對(duì)于質(zhì)量為8GeV/c2WIMP粒子,相互作用截面上限為1.2×10-42cm2。Super-CDMS的疑似事例已經(jīng)被LUX新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所否定。
  低溫惰性氣體探測(cè)器是目前最受關(guān)注的直接探測(cè)技術(shù)。而液氙,在稀有氣體中是一種典型的WIMPs直

8、接探測(cè)的材料。液氙作為直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)材料具有以下特性:可以方便有效地的增大靶質(zhì)量,可以有效地甄別原子核反沖和電子反沖,具有有效地對(duì)環(huán)境本底的自屏蔽效應(yīng)。
  鑒于XENON100實(shí)驗(yàn)以及LUX實(shí)驗(yàn)在暗物質(zhì)探測(cè)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展,Pan-daX合作組(The Particle and Astrophysical Xenon collaboration)于2010年開(kāi)始設(shè)計(jì)并搭建中國(guó)第一座低本底二相氙型時(shí)間投影室用于暗物質(zhì)探測(cè)。Panda

9、X地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)一期液氙靶質(zhì)量為120kg。PandaX二期時(shí)靶質(zhì)量會(huì)提高到0.5噸,PandaX三期探測(cè)器靶質(zhì)量會(huì)高于1噸。2012年,PandaX探測(cè)器運(yùn)往中國(guó)四川錦屏地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室CJPL(China Jinping Deep-Underground Laboratory)。2013年探測(cè)器在CJPL實(shí)驗(yàn)室搭建完畢并完成兩次試運(yùn)行以檢測(cè)和改進(jìn)探測(cè)器。2014年P(guān)andaX實(shí)驗(yàn)開(kāi)始物理取數(shù),并于2014年9月發(fā)表實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Pand

10、aX一期基于17.4天的37公斤核心靶區(qū)液氙的探測(cè)數(shù)據(jù),沒(méi)有找到可信的暗物質(zhì)信號(hào)。PandaX實(shí)驗(yàn)在90%置信度基礎(chǔ)上,對(duì)與自旋無(wú)關(guān)的WIMP與氙原子核相互作用截面給出上限:對(duì)于質(zhì)量為49GeV/c2WIMP粒子,相互作用截面上限為3.7×10-44cm2。
  PandaX暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)是當(dāng)前世界上環(huán)境本底最低的實(shí)驗(yàn)。作為實(shí)驗(yàn)信號(hào)處理和數(shù)據(jù)獲取的必要部分,電子學(xué)與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)需要在實(shí)驗(yàn)物理取數(shù)之前完成設(shè)計(jì)和搭建。2010年P(guān)an

11、daX實(shí)驗(yàn)電子學(xué)與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)在山東大學(xué)開(kāi)始設(shè)計(jì)和搭建。系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要基于商業(yè)插件,根據(jù)插件特性完成軟件框架、觸發(fā)框架等的設(shè)計(jì)。電子學(xué)系統(tǒng)收集來(lái)自探測(cè)器時(shí)間投影室光電倍增管陣列的光電子信號(hào)。然后,系統(tǒng)根據(jù)不同粒子反沖信號(hào)的特征設(shè)定觸發(fā)條件,以觸發(fā)物理信號(hào)。系統(tǒng)軟件對(duì)系統(tǒng)硬件初始化、配置,在數(shù)據(jù)獲取開(kāi)始后對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行判定并讀取數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)格式校驗(yàn)后組裝事例,最后將數(shù)據(jù)讀出并存儲(chǔ)到磁盤(pán)陣列中。
  電子學(xué)與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì)的物理

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