PandaX地下暗物質(zhì)實驗電子學與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的研制.pdf

1、20世紀30年代茲威基測量后發(fā)座星系團質(zhì)量時，最早預言了暗物質(zhì)的存在。之后，Vera Rubin利用測量電磁波譜的影像管攝譜儀對仙女座星云(M31)進行觀測并繪制了旋轉(zhuǎn)曲線，測量發(fā)現(xiàn)仙女座星云中的大部分恒星繞星系團中心以相同的速度運動，可能的解釋是漩渦星系中存在大量的有質(zhì)量但是看不見的暗物質(zhì)。之后對星系團引力透鏡、宇宙微波背景輻射的觀測和研究從天文學角度肯定了暗物質(zhì)的存在。天文物理學家通過研究普朗克衛(wèi)星探測的數(shù)據(jù)，根據(jù)ΛCDM模型(Λ—

2、—冷暗物質(zhì)模型)，計算得到宇宙的結(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)存在的天文觀測證據(jù)被確認后，理論物理學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這類特大尺度的結(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。根據(jù)ΛCDM模型，理論估計宇宙中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。而旨在解決級列問題的幾種理論預言了穩(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)計算出粒子和已知標準模型中粒子的相互作用截面。
　　自20世紀起，粒子物理學家積極地通過實驗去探測、尋找暗物質(zhì)。除天文觀測可以間接驗證暗物質(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、接探測實驗，非直接探測實驗，大型加速器暗物質(zhì)產(chǎn)生實驗。直接探測實驗是通過測量暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)原子核的碰撞散射信號尋找暗物質(zhì)。非直接探測是測量暗物質(zhì)湮滅信號驗證暗物質(zhì)存在性。直接探測暗物質(zhì)實驗以低溫晶體探測器和低溫惰性氣體探測器為代表。非直接探測實驗以衛(wèi)星實驗為代表。加速器實驗的代表是歐洲大型強子對撞機(LHC)實驗。
　　2013年，LUX(The Large Underground Xenon Experiment)實驗在暗

5、物質(zhì)直接探測領(lǐng)域取得了相當高靈敏度的實驗結(jié)果，實驗基于85.3天的118公斤核心靶區(qū)液氙的探測數(shù)據(jù)，沒有找到可信的暗物質(zhì)信號。LUX實驗在90％置信度基礎(chǔ)上，對與自旋無關(guān)的WIMP與氙原子核相互作用截面給出上限:對于質(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)星實驗對宇宙線正電子譜進行測量，發(fā)現(xiàn)正電子比（宇

6、宙線中正電子數(shù)與正負電子總數(shù)的比例）在0.5-10GeV范圍內(nèi)隨能量增長而減小，在10GeV-250GeV范圍內(nèi)隨能量增長而增大。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)會變得平坦，但是實驗在250GeV以上的能譜需要更大的統(tǒng)計量和實驗精度。
　　2014年，Super-CDMS(Super Cryogenic Dark Matter Search)實驗在暗物

7、質(zhì)非直接探測模式中找到了11個疑似事例。實驗的數(shù)據(jù)量達到577kg-days，找到11個WIMPs粒子疑似事例。實驗在90％置信度基礎(chǔ)上，對與自旋無關(guān)的WIMP與氙原子核相互作用截面給出上限:對于質(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新的實驗結(jié)果所否定。
　　低溫惰性氣體探測器是目前最受關(guān)注的直接探測技術(shù)。而液氙，在稀有氣體中是一種典型的WIMPs直

8、接探測的材料。液氙作為直接探測實驗材料具有以下特性: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，具有有效地對環(huán)境本底的自屏蔽效應。
　　鑒于XENON100實驗以及LUX實驗在暗物質(zhì)探測領(lǐng)域的突破性進展，Pan-daX合作組(The Particle and Astrophysical Xenon collaboration)于2010年開始設(shè)計并搭建中國第一座低本底二相氙型時間投影室用于暗物質(zhì)探測。Panda

9、X地下暗物質(zhì)實驗一期液氙靶質(zhì)量為120kg。PandaX二期時靶質(zhì)量會提高到0.5噸，PandaX三期探測器靶質(zhì)量會高于1噸。2012年，PandaX探測器運往中國四川錦屏地下暗物質(zhì)實驗室CJPL(China Jinping Deep-Underground Laboratory)。2013年探測器在CJPL實驗室搭建完畢并完成兩次試運行以檢測和改進探測器。2014年P(guān)andaX實驗開始物理取數(shù)，并于2014年9月發(fā)表實驗結(jié)果。Pand

10、aX一期基于17.4天的37公斤核心靶區(qū)液氙的探測數(shù)據(jù)，沒有找到可信的暗物質(zhì)信號。PandaX實驗在90％置信度基礎(chǔ)上，對與自旋無關(guān)的WIMP與氙原子核相互作用截面給出上限:對于質(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)探測實驗是當前世界上環(huán)境本底最低的實驗。作為實驗信號處理和數(shù)據(jù)獲取的必要部分，電子學與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)需要在實驗物理取數(shù)之前完成設(shè)計和搭建。2010年P(guān)an

11、daX實驗電子學與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)在山東大學開始設(shè)計和搭建。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。電子學系統(tǒng)收集來自探測器時間投影室光電倍增管陣列的光電子信號。然后，系統(tǒng)根據(jù)不同粒子反沖信號的特征設(shè)定觸發(fā)條件，以觸發(fā)物理信號。系統(tǒng)軟件對系統(tǒng)硬件初始化、配置，在數(shù)據(jù)獲取開始后對系統(tǒng)狀態(tài)進行判定并讀取數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)格式校驗后組裝事例，最后將數(shù)據(jù)讀出并存儲到磁盤陣列中。
　　電子學與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)設(shè)計的物理