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基本信息
- 項目名稱：
- XENON100暗物質(zhì)探測實驗中的雜質(zhì)光電離信號及其鑒別方法研究
- 小類：
- 數(shù)理
- 簡介：
- 作者在XENON100暗物質(zhì)探測實驗中，首次發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)的光電離機制并建立了雜質(zhì)的光電離模型，揭示了實驗中一類噪音信號的物理機制，解決了長期困擾合作組的中子散射模擬問題，降低了中子本底及其測量誤差；首次通過模擬給出了低能信號觸發(fā)效率的正確計算結(jié)果；評估了探測器的非線性響應(yīng)對雜質(zhì)Kr85測量結(jié)果的影響。這些工作有效提高了該實驗探測暗物質(zhì)的靈敏度和準(zhǔn)確度。
- 詳細介紹：
- 暗物質(zhì)之謎被認(rèn)為是當(dāng)前物理界最具挑戰(zhàn)性的問題，物理學(xué)家們正在采用各種手段來解決相關(guān)問題，其中利用地下實驗室的直接探測實驗是最重要的科學(xué)手段之一。XENON100合作組于2011年4月13日公布了在意大利Gran Sasso國家實驗室中暗物質(zhì)探測的最新結(jié)果，實驗靈敏度大大領(lǐng)先于國際同類實驗，對暗物質(zhì)性質(zhì)提供了迄今最強的限制，并且以90%的置信度排除了DAMA、CoGeNT實驗的暗物質(zhì)解釋。在XENON100探測暗物質(zhì)的過程中，有諸多因素會對暗物質(zhì)探測的靈敏度和準(zhǔn)確度造成很大影響。作者參與XENON100實驗并解決了數(shù)據(jù)分析中的一些關(guān)鍵問題，為取得最終結(jié)果奠定了基礎(chǔ)。作者的研究工作主要有以下幾個方面： 1）噪音干擾及中子散射模擬問題 XENON100采用“二相型氙”技術(shù)探測粒子與原子核作用而產(chǎn)生的閃光和電離信號，分別記為S1和S2。然而數(shù)據(jù)中物理信號波形上常伴隨著很多小S2噪音信號（簡稱小S2）。由于可能來自暗物質(zhì)的信號都很小，能否降低此類噪音的干擾對暗物質(zhì)探測的靈敏度有重大影響。作者首次建立了液氙中雜質(zhì)的光電離模型，揭示了小S2產(chǎn)生的物理機制。作者據(jù)此對不同能量區(qū)域的小S2做了精確定量的分析，并且給出了鑒別該類噪音信號的方案。另外，該方案可用于定義鑒別中子單步散射和多步散射的新方法，新方法不僅成功地解決了長期困擾XENON100合作組的中子散射模擬問題，而且極大地降低了中子本底及其測量誤差，從而有效地提高了暗物質(zhì)探測的靈敏度和準(zhǔn)確度。 2）低能信號觸發(fā)效率的精確計算 為了有效降低暗電流對信號的干擾，XENON100實驗數(shù)據(jù)分析中要求每個事例的光信號被2個以上的光電管同時接收。作者首次發(fā)現(xiàn)合作組2010年采用的觸發(fā)效率計算方法并不準(zhǔn)確，并利用合作組研發(fā)的模擬軟件給出了精確計算觸發(fā)效率的方法，該方法進一步被哥倫比亞大學(xué)的合作者驗證而被采用，為XENON100實驗靈敏度的準(zhǔn)確計算奠定了基礎(chǔ)。 3）雜質(zhì)Kr85含量的精確測量 作者發(fā)現(xiàn)并評估了探測器的非線性響應(yīng)對雜質(zhì)Kr85含量測量的影響，給出了更準(zhǔn)確的測量方法，該方法進一步被蘇黎世大學(xué)的合作者驗證。以該結(jié)果為基礎(chǔ)的模擬本底能譜與實驗數(shù)據(jù)完全吻合，從而為探測器電子反沖本底的準(zhǔn)確估計奠定了基礎(chǔ)。 以上研究成果是2011年4月13日公布的XENON100暗物質(zhì)探測結(jié)果的重要組成部分。不僅如此，雜質(zhì)的光電離模型在理解同類探測器信號特征中有一定的借鑒意義，在XENON100將來的數(shù)據(jù)分析中會發(fā)揮重要作用。鑒于對該結(jié)果的獨到貢獻，作者被合作組破例列為該結(jié)果的唯一本科生作者。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 撰寫目的：利用數(shù)據(jù)分析手段提高XENON100暗物質(zhì)探測實驗的靈敏度和準(zhǔn)確度。 基本思路： 1)通過建立液氙中雜質(zhì)的光電離模型，揭示實驗中一類噪音信號的物理機制，并給出科學(xué)鑒別該噪音的方案。 2)通過模擬確定低能信號觸發(fā)效率的計算方法。 3)重新評估探測器非線性響應(yīng)對雜質(zhì)Kr85含量測量的影響，給出更準(zhǔn)確地測量該雜質(zhì)含量的方法。
科學(xué)性、先進性及獨特之處
- 1)首次從物理機制出發(fā)，在分析大量實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對噪音信號的產(chǎn)生機制及觀察到的特性做了深入的分析與論證，從而給出了科學(xué)的噪音信號鑒別方案，并非簡單的數(shù)學(xué)處理。 2)首次給出了去除暗電流方案下低能信號觸發(fā)效率的正確計算結(jié)果。 3)首次給出了更準(zhǔn)確地測量雜質(zhì)Kr85含量的方法，克服了在大量本底事例（百萬-千萬量級）干擾下挑選極少特征事例（幾十個）的困難。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 雜質(zhì)的光電離模型解決了長期困擾XENON100實驗組的中子散射模擬問題，有效降低了中子本底及測量誤差；觸發(fā)效率的準(zhǔn)確計算是分析探測器靈敏度的前提；雜質(zhì)Kr85含量的測量為電子反沖本底估計奠定了基礎(chǔ)。以上研究成果對提升暗物質(zhì)探測的靈敏度和準(zhǔn)確度有重要作用。 這些研究成果將在中國正在發(fā)展的PandaX暗物質(zhì)及中微子探測實驗的數(shù)據(jù)分析中發(fā)揮作用，并對探測器的設(shè)計有直接的借鑒意義。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 暗物質(zhì)之謎被認(rèn)為是當(dāng)前物理界最具挑戰(zhàn)性的問題，基于“二相型氙”技術(shù)的XENON100實驗是目前最領(lǐng)先的暗物質(zhì)直接探測實驗。在探測暗物質(zhì)的過程中，各種粒子會在液氙中產(chǎn)生光子和電子信號，這些信號被接收后可用于鑒別粒子的性質(zhì)。然而，作者通過對XENON100實驗數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)液氙中的雜質(zhì)會吸附電子，不僅造成電子信號的損失，而且會產(chǎn)生大量負離子，這些負離子會被光子信號再電離，形成次級信號和原有的電子信號相混淆，造成鑒別粒子的困難。由此，作者建立了液氙中雜質(zhì)的光電離模型，揭示了此類噪音信號產(chǎn)生的物理機制，并提出了有效鑒別該類信號的數(shù)據(jù)分析方法。該方法成功解決了之前存在的中子散射實驗數(shù)據(jù)與理論模擬無法吻合的問題，極大地降低了中子本底及其測量誤差。另外，為了有效去除暗電流的影響，XENON100實驗要求光信號被2個以上光電管同時接收，作者通過模擬給出了該方案下低能信號觸發(fā)效率的正確計算結(jié)果。在去除了噪音信號的干擾之后，作者進一步發(fā)現(xiàn)并評估了探測器非線性響應(yīng)對雜質(zhì)Kr85含量測量結(jié)果的影響，給出了正確的測量方法，為實驗中電子反沖本底的準(zhǔn)確估計奠定了基礎(chǔ)。以上研究成果有效提高了該實驗探測暗物質(zhì)的靈敏度和準(zhǔn)確度，是2011年4月13日公布的XENON100暗物質(zhì)探測結(jié)果的重要組成部分。
獲獎情況
- [1] Dark Matter Results from 100 Live Days of XENON100 Data, arXiv:1104.2549將發(fā)表于物理學(xué)頂級期刊Physical Review Letters（IF 7.4），據(jù)Spires數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計，從4月13日發(fā)布至今僅兩個月內(nèi)已被引用44次，并得到Nature，Science等雜志的高度評價。大型粒子實驗作者按姓氏排名，申報人為唯一的本科生作者。 [2] Implications on Inelastic Dark Matter from 100 Live Days of XENON100 Data, arXiv:1104.3121v1 將發(fā)表于物理學(xué)期刊Physical Review D（IF 4.9）上，據(jù)Spires數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計，該文章至今被引用6次。申報人為唯一的本科生作者。
鑒定結(jié)果
- XENON100實驗發(fā)言人與數(shù)據(jù)分析組組長均認(rèn)為作者的工作為該實驗取得世界一流成果做出了重要貢獻。Nature評價雜質(zhì)Kr85含量的準(zhǔn)確測量為暗物質(zhì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確分析奠定了基礎(chǔ)。
參考文獻
- [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
同類課題研究水平概述
- XENON100合作組于2011年4月13日公布了在意大利Gran Sasso國家實驗室中暗物質(zhì)探測的最新結(jié)果，所得結(jié)果大大領(lǐng)先于國際同類實驗,對暗物質(zhì)性質(zhì)提供了迄今最強的限制，并以90%的置信度排除了DAMA、CoGeNT實驗的暗物質(zhì)解釋。作者參與該實驗并解決了數(shù)據(jù)分析中的一些關(guān)鍵問題，為最終的物理結(jié)果奠定了基礎(chǔ)。 XENON100采用“二相型氙”技術(shù)探測暗物質(zhì)與原子核作用而產(chǎn)生的閃光和電離信號，分別記為S1和S2。然而數(shù)據(jù)中物理信號波形上常伴隨著很多小S2噪音信號（簡稱小S2）,合作組一直認(rèn)為大多數(shù)這樣的信號來自于電子學(xué)系統(tǒng)的噪音，并提出了直接利用信噪比排除這些電子學(xué)噪音的方案，然而該方案無法成功鑒別和去除小S2。作者建立了雜質(zhì)的光電離模型以揭示小S2產(chǎn)生的物理機制，并對該模型下小S2的實驗特性進行了深入的分析和論證，在此基礎(chǔ)上提出了鑒別小S2的數(shù)據(jù)分析方法，從而成功降低了小S2對主信號的干擾。 XENON100實驗的一大優(yōu)勢是可以區(qū)分中子核反沖的單步散射和多步散射，從而進一步降低中子本底的干擾。合作組原有的方案是定義一個固定閾值用于鑒別多步反沖和單步反沖，然而該方案下中子單步與多步散射比例的實驗數(shù)據(jù)與理論模擬無法吻合，極大地限制了中子本底測量的準(zhǔn)確度。由雜質(zhì)光電離模型定義的新鑒別方案成功地解決了中子散射模擬問題，降低了中子散射的測量誤差，并且在原方案的基礎(chǔ)上降低了30%-40%的中子核反沖本底，提高了探測暗物質(zhì)的靈敏度和準(zhǔn)確度。 除了上述噪音外，光電管本身的暗電流對信號也有重大影響。為了有效去除暗電流的影響，XENON100實驗數(shù)據(jù)分析中要求光信號被2個以上光電管同時接收，作者首次通過模擬給出了該方案下低能信號觸發(fā)效率的正確計算結(jié)果，同首批數(shù)據(jù)結(jié)果（XENON100，2010）相比準(zhǔn)確度有很大提升，并得到哥倫比亞大學(xué)合作者的驗證和發(fā)展而用于最終物理分析。 作者發(fā)現(xiàn)并評估了探測器的非線性響應(yīng)對雜質(zhì)Kr85含量測量的影響，給出了更準(zhǔn)確的測量方法。該方法得到蘇黎世大學(xué)合作者的驗證和發(fā)展而被采用，為探測器電子反沖本底的準(zhǔn)確測定奠定了基礎(chǔ)。 以上研究成果是2011年4月13日公布的XENON100暗物質(zhì)探測結(jié)果的重要組成部分。鑒于對該結(jié)果的獨到貢獻，作者被合作組破例列為該結(jié)果的唯一本科生作者。
