基本信息
- 项目名称：
- XENON100暗物质探测实验中的杂质光电离信号及其鉴别方法研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 作者在XENON100暗物质探测实验中，首次发现杂质的光电离机制并建立了杂质的光电离模型，揭示了实验中一类噪音信号的物理机制，解决了长期困扰合作组的中子散射模拟问题，降低了中子本底及其测量误差；首次通过模拟给出了低能信号触发效率的正确计算结果；评估了探测器的非线性响应对杂质Kr85测量结果的影响。这些工作有效提高了该实验探测暗物质的灵敏度和准确度。
- 详细介绍：
- 暗物质之谜被认为是当前物理界最具挑战性的问题，物理学家们正在采用各种手段来解决相关问题，其中利用地下实验室的直接探测实验是最重要的科学手段之一。XENON100合作组于2011年4月13日公布了在意大利Gran Sasso国家实验室中暗物质探测的最新结果，实验灵敏度大大领先于国际同类实验，对暗物质性质提供了迄今最强的限制，并且以90%的置信度排除了DAMA、CoGeNT实验的暗物质解释。在XENON100探测暗物质的过程中，有诸多因素会对暗物质探测的灵敏度和准确度造成很大影响。作者参与XENON100实验并解决了数据分析中的一些关键问题，为取得最终结果奠定了基础。作者的研究工作主要有以下几个方面： 1）噪音干扰及中子散射模拟问题 XENON100采用“二相型氙”技术探测粒子与原子核作用而产生的闪光和电离信号，分别记为S1和S2。然而数据中物理信号波形上常伴随着很多小S2噪音信号（简称小S2）。由于可能来自暗物质的信号都很小，能否降低此类噪音的干扰对暗物质探测的灵敏度有重大影响。作者首次建立了液氙中杂质的光电离模型，揭示了小S2产生的物理机制。作者据此对不同能量区域的小S2做了精确定量的分析，并且给出了鉴别该类噪音信号的方案。另外，该方案可用于定义鉴别中子单步散射和多步散射的新方法，新方法不仅成功地解决了长期困扰XENON100合作组的中子散射模拟问题，而且极大地降低了中子本底及其测量误差，从而有效地提高了暗物质探测的灵敏度和准确度。 2）低能信号触发效率的精确计算 为了有效降低暗电流对信号的干扰，XENON100实验数据分析中要求每个事例的光信号被2个以上的光电管同时接收。作者首次发现合作组2010年采用的触发效率计算方法并不准确，并利用合作组研发的模拟软件给出了精确计算触发效率的方法，该方法进一步被哥伦比亚大学的合作者验证而被采用，为XENON100实验灵敏度的准确计算奠定了基础。 3）杂质Kr85含量的精确测量 作者发现并评估了探测器的非线性响应对杂质Kr85含量测量的影响，给出了更准确的测量方法，该方法进一步被苏黎世大学的合作者验证。以该结果为基础的模拟本底能谱与实验数据完全吻合，从而为探测器电子反冲本底的准确估计奠定了基础。 以上研究成果是2011年4月13日公布的XENON100暗物质探测结果的重要组成部分。不仅如此，杂质的光电离模型在理解同类探测器信号特征中有一定的借鉴意义，在XENON100将来的数据分析中会发挥重要作用。鉴于对该结果的独到贡献，作者被合作组破例列为该结果的唯一本科生作者。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 撰写目的：利用数据分析手段提高XENON100暗物质探测实验的灵敏度和准确度。 基本思路： 1)通过建立液氙中杂质的光电离模型，揭示实验中一类噪音信号的物理机制，并给出科学鉴别该噪音的方案。 2)通过模拟确定低能信号触发效率的计算方法。 3)重新评估探测器非线性响应对杂质Kr85含量测量的影响，给出更准确地测量该杂质含量的方法。
科学性、先进性及独特之处
- 1)首次从物理机制出发，在分析大量实验数据的基础上对噪音信号的产生机制及观察到的特性做了深入的分析与论证，从而给出了科学的噪音信号鉴别方案，并非简单的数学处理。 2)首次给出了去除暗电流方案下低能信号触发效率的正确计算结果。 3)首次给出了更准确地测量杂质Kr85含量的方法，克服了在大量本底事例（百万-千万量级）干扰下挑选极少特征事例（几十个）的困难。
应用价值和现实意义
- 杂质的光电离模型解决了长期困扰XENON100实验组的中子散射模拟问题，有效降低了中子本底及测量误差；触发效率的准确计算是分析探测器灵敏度的前提；杂质Kr85含量的测量为电子反冲本底估计奠定了基础。以上研究成果对提升暗物质探测的灵敏度和准确度有重要作用。 这些研究成果将在中国正在发展的PandaX暗物质及中微子探测实验的数据分析中发挥作用，并对探测器的设计有直接的借鉴意义。
学术论文摘要
- 暗物质之谜被认为是当前物理界最具挑战性的问题，基于“二相型氙”技术的XENON100实验是目前最领先的暗物质直接探测实验。在探测暗物质的过程中，各种粒子会在液氙中产生光子和电子信号，这些信号被接收后可用于鉴别粒子的性质。然而，作者通过对XENON100实验数据的分析，发现液氙中的杂质会吸附电子，不仅造成电子信号的损失，而且会产生大量负离子，这些负离子会被光子信号再电离，形成次级信号和原有的电子信号相混淆，造成鉴别粒子的困难。由此，作者建立了液氙中杂质的光电离模型，揭示了此类噪音信号产生的物理机制，并提出了有效鉴别该类信号的数据分析方法。该方法成功解决了之前存在的中子散射实验数据与理论模拟无法吻合的问题，极大地降低了中子本底及其测量误差。另外，为了有效去除暗电流的影响，XENON100实验要求光信号被2个以上光电管同时接收，作者通过模拟给出了该方案下低能信号触发效率的正确计算结果。在去除了噪音信号的干扰之后，作者进一步发现并评估了探测器非线性响应对杂质Kr85含量测量结果的影响，给出了正确的测量方法，为实验中电子反冲本底的准确估计奠定了基础。以上研究成果有效提高了该实验探测暗物质的灵敏度和准确度，是2011年4月13日公布的XENON100暗物质探测结果的重要组成部分。
获奖情况
- [1] Dark Matter Results from 100 Live Days of XENON100 Data, arXiv:1104.2549将发表于物理学顶级期刊Physical Review Letters（IF 7.4），据Spires数据库统计，从4月13日发布至今仅两个月内已被引用44次，并得到Nature，Science等杂志的高度评价。大型粒子实验作者按姓氏排名，申报人为唯一的本科生作者。 [2] Implications on Inelastic Dark Matter from 100 Live Days of XENON100 Data, arXiv:1104.3121v1 将发表于物理学期刊Physical Review D（IF 4.9）上，据Spires数据库统计，该文章至今被引用6次。申报人为唯一的本科生作者。
鉴定结果
- XENON100实验发言人与数据分析组组长均认为作者的工作为该实验取得世界一流成果做出了重要贡献。Nature评价杂质Kr85含量的准确测量为暗物质数据的准确分析奠定了基础。
参考文献
- [1] Matthias Bartelmann，The dark Universe, Rev. Mod. Phys. 82, 331–382 (2010) [2] G. Jungman et al., Supersymmetric Dark matter, Phys. Rept. 267, 195 (1996). [3] RJ Gaitskell, Direct Detection of Dark Matter, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 54, 315-59 (2004). [4] E. Aprile , Liquid xenon detectors for particle physics and astrophysics, Rev. Mod. Phys. 82, 2053–2097 (2010) [5] E Aprile et al., First Dark Matter Results from the XENON100 Experiment, Phys. Rev. Lett.105, 131302 (2010). [6] E. Aprile et al., Study of the electromagnetic background in the XENON100 experiment, Phys. Rev. D 83, 082001 (2011) [7] E. Aprile et al., Dark Matter Results from 100 Live Days of XENON100 Data, arXiv:1104.2549 [8] E. Aprile et al., Implications on Inelastic Dark Matter from 100 Live Days of XENON100 Data,arXiv:1104.3121
同类课题研究水平概述
- XENON100合作组于2011年4月13日公布了在意大利Gran Sasso国家实验室中暗物质探测的最新结果，所得结果大大领先于国际同类实验,对暗物质性质提供了迄今最强的限制，并以90%的置信度排除了DAMA、CoGeNT实验的暗物质解释。作者参与该实验并解决了数据分析中的一些关键问题，为最终的物理结果奠定了基础。 XENON100采用“二相型氙”技术探测暗物质与原子核作用而产生的闪光和电离信号，分别记为S1和S2。然而数据中物理信号波形上常伴随着很多小S2噪音信号（简称小S2）,合作组一直认为大多数这样的信号来自于电子学系统的噪音，并提出了直接利用信噪比排除这些电子学噪音的方案，然而该方案无法成功鉴别和去除小S2。作者建立了杂质的光电离模型以揭示小S2产生的物理机制，并对该模型下小S2的实验特性进行了深入的分析和论证，在此基础上提出了鉴别小S2的数据分析方法，从而成功降低了小S2对主信号的干扰。 XENON100实验的一大优势是可以区分中子核反冲的单步散射和多步散射，从而进一步降低中子本底的干扰。合作组原有的方案是定义一个固定阈值用于鉴别多步反冲和单步反冲，然而该方案下中子单步与多步散射比例的实验数据与理论模拟无法吻合，极大地限制了中子本底测量的准确度。由杂质光电离模型定义的新鉴别方案成功地解决了中子散射模拟问题，降低了中子散射的测量误差，并且在原方案的基础上降低了30%-40%的中子核反冲本底，提高了探测暗物质的灵敏度和准确度。 除了上述噪音外，光电管本身的暗电流对信号也有重大影响。为了有效去除暗电流的影响，XENON100实验数据分析中要求光信号被2个以上光电管同时接收，作者首次通过模拟给出了该方案下低能信号触发效率的正确计算结果，同首批数据结果（XENON100，2010）相比准确度有很大提升，并得到哥伦比亚大学合作者的验证和发展而用于最终物理分析。 作者发现并评估了探测器的非线性响应对杂质Kr85含量测量的影响，给出了更准确的测量方法。该方法得到苏黎世大学合作者的验证和发展而被采用，为探测器电子反冲本底的准确测定奠定了基础。 以上研究成果是2011年4月13日公布的XENON100暗物质探测结果的重要组成部分。鉴于对该结果的独到贡献，作者被合作组破例列为该结果的唯一本科生作者。
