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基本信息

作品名稱:
XENON100暗物質探測實驗中的雜質光電離信號及其鑒別方法研究
大類:
自然科學類學術論文
小類:
數理
簡介:

作者在XENON100暗物質探測實驗中,首次發現雜質的光電離機制并建立了雜質的光電離模型,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效率的正確計算結果;評估了探測器的非線性響應對雜質Kr85測量結果的影響。這些工作有效提高了該實驗探測暗物質的靈敏度和準確度。

詳細介紹:

暗物質之謎被認為是當前物理界最具挑戰性的問題,物理學家們正在采用各種手段來解決相關問題,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探測的最新結果,實驗靈敏度大大領先于國際同類實驗,對暗物質性質提供了迄今最強的限制,并且以90%的置信度排除了DAMA、CoGeNT實驗的暗物質解釋。在XENON100探測暗物質的過程中,有諸多因素會對暗物質探測的靈敏度和準確度造成很大影響。作者參與XENON100實驗并解決了數據分析中的一些關鍵問題,為取得最終結果奠定了基礎。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”技術探測粒子與原子核作用而產生的閃光和電離信號,分別記為S1和S2。然而數據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的信號都很小,能否降低此類噪音的干擾對暗物質探測的靈敏度有重大影響。作者首次建立了液氙中雜質的光電離模型,揭示了小S2產生的物理機制。作者據此對不同能量區域的小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探測的靈敏度和準確度。
2)低能信號觸發效率的精確計算
為了有效降低暗電流對信號的干擾,XENON100實驗數據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。作者首次發現合作組2010年采用的觸發效率計算方法并不準確,并利用合作組研發的模擬軟件給出了精確計算觸發效率的方法,該方法進一步被哥倫比亞大學的合作者驗證而被采用,為XENON100實驗靈敏度的準確計算奠定了基礎。
3)雜質Kr85含量的精確測量
作者發現并評估了探測器的非線性響應對雜質Kr85含量測量的影響,給出了更準確的測量方法,該方法進一步被蘇黎世大學的合作者驗證。以該結果為基礎的模擬本底能譜與實驗數據完全吻合,從而為探測器電子反沖本底的準確估計奠定了基礎。
以上研究成果是2011年4月13日公布的XENON100暗物質探測結果的重要組成部分。不僅如此,雜質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將來的數據分析中會發揮重要作用。鑒于對該結果的獨到貢獻,作者被合作組破例列為該結果的唯一本科生作者。

獲獎情況:

第十二屆“挑戰杯”作品 一等獎
[1] Dark Matter Results from 100 Live Days of XENON100 Data, arXiv:1104.2549將發表于物理學頂級期刊Physical Review Letters(IF 7.4),據Spires數據庫統計,從4月13日發布至今僅兩個月內已被引用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 將發表于物理學期刊Physical Review D(IF 4.9)上,據Spires數據庫統計,該文章至今被引用6次。申報人為唯一的本科生作者。

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