PandaX-nT暗物质直接探测实验读出电子学系统研究
发布时间：2021-08-11 00:45
现代天文学通过星系旋转曲线、引力透镜效应和宇宙微波背景辐射等证实暗物质是存在的,并且暗物质占整个宇宙的26.8%左右。但是人们至今仍没有直接探测到暗物质粒子,因此对暗物质的探究成为当今物理学的重要课题之一。探寻暗物质主要有三种方法:基于对撞机“创造”出暗物质粒子、间接探测和直接探测。直接探测主要是通过探测暗物质粒子与探测器中的物质发生相互作用产生的信号,从而直接探测暗物质粒子性质。目前国际上展开了众多的暗物质直接探测实验,例如XENON实验、LUX实验、XMASS实验等。这些实验也正在向着不断提高暗物质探测灵敏度的方向升级。我国也在积极开展暗物质直接探测实验,由上海交通大学主导,国内多个大学和研究所共同合作的PandaX实验正是其中之一。现阶段,PandaX-Ⅰ和PandaX-Ⅱ已经完成其使命,PandaX-nT的升级工作正在紧张的展开中。为了进一步提高暗物质探测的灵敏度,获取更高精度的WIMP粒子反应排除截面,PandaX-nT的升级正向着吨量级的靶物质、低本底和不同的本底甄别算法方向升级。通道数的增加,需要高速高精度的波形采样,以及由此产生的数据传输等问题,都对读出电子学提出了进一...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：133 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２左图是引力透镜效应示意图，右图是引力透镜效应造成的爱因斯坦十字??在众多引力透镜效应的观测结果中，子弹星系团的观测结果给出了目前暗??物质存在的最有力的证据［１０］
?第１章绪论???ＢＨＢＩ??图１．３子弹星系团观测结果图，红色区域通过Ｘ射线观测得到的重子分布图，蓝色区域??是通过引力透镜效应得到的暗物质分布图。??１．１．３宇宙微波背景辐射??宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸后残存的原初等离子体所放出的热辐射，??在经过了宇宙上百亿年的膨胀后，早期的背景辐射已经从原来的频率移动到了??现在的微波频率［１１］范围。在宇宙原始时期，宇宙中物质的温度和密度均很??高，质子和电子难以自由移动，从而以等离子体的形式存在，此时由于物质与??辐射之间相互干扰导致光子被质子和电子散射，因此此时的宇宙对辐射是不透??明的。随着宇宙的不断膨胀，宇宙中温度开始不断降低，当降低到约３０００Ｋ??时，质子与电子结合形成中性的氢原子。而中性原子不在吸收热辐射，因此宇??宙变得逐渐透明。这大约发生在大爆炸后３８万年，这段时间被称为“最后的散??射时间”，这是现在能观测到的最远的背景辐射。随后，宇宙经过不断膨胀，??宇宙背景辐射的光子产生了红移，从而形成的如今的约为３Ｋ的宇宙微波背景??辐射。??通过对宇宙微波背景辐射的研宄，科学家发现如今的宇宙温度分布整体上??是均匀的，但在一定范围内仍然存在着涨落，具有各向异性。图１．４显示的便??是美国?ＷＭＡＰ（Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ?Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ?Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ?Ｐｒｏｂｅ，ＷＭＡＰ）探测器精确测量??的整个天空的宇宙微波背景辐射。从图中可以看到宇宙中温度分布存在着一定??程度的涨落。通过精确测量这些涨落便能够获得包括物质的组成等暴涨时期宇??宙的物理信息［１２］。??４??
?第１章绪论???图１．４根据ＷＭＡＰ测试结果得到的宇宙微波背景辐射全天图。??截至目前，通过对宇宙微波背景辐射的测量，科学家给出宇宙中暗物质和??重子物质宇宙中丰度的最准确的测量结果。图１．５便是ＷＭＡＰ探测器观测到的??宇宙微波背景辐射的能谱图［１３］。图中第一个峰表征的是宇宙中包括暗物质、??暗能量、普通物质以及尚未发现的物质的总的能量贡献。第一个峰的角度尺度??决定了宇宙的曲率。第二个峰则是由早期宇宙的声学震荡引起的，其位置反映??了宇宙中普通物质的含量。第三个峰值可以用来获得关于暗物质密度的信息。??通过对这些能谱进行分析，科学家们得到了宇宙中暗能量约占宇宙总能量的??６９％，所有的普通物质占宇宙总能量的４．?８％，而其余的２６％则为暗物质。??６０００?１?１?￣７＾?１?１?１?［??ＷＭＡＰ７ｙｒｉ?：??Ｓ?５０００「?ｊ?＇?Ａｑ＾ｄ！ｉ??Ｉ?４０００，?／?＼?；??ｆａｏｏｏ：?／?＼?ｊ?—??ｆ－：?／?ｗ＼?—??＇?１０００?ｒ?［ｉｆｆｒ??〇?—Ｌ＿＿ｉ?１?１?１?１???１０?１００?５００?１０００?１５００?２０００??Ｍｕｌｔｉｐｏｌｅ?Ｍｏｍｅｎｔ?（／）??图１．５宇宙微波背景辐射的各向异性能谱??１．２?暗物质粒子候选者??通过对暗物质的不断深入研宄，暗物质通常被认为具有以下几种重要性??质。首先，暗物质必然是电中性的，这是因为暗物质与普通物质之间的相互作??用极弱，不可能携带任何极性的电荷。其次，暗物质还必须是稳定的，经过了??漫长的宇宙演变，暗物质仍然能够稳定存在，因此其必定是稳定存在的。接??着，暗物质还必须是宇宙
本文编号：3335098
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：133 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２左图是引力透镜效应示意图，右图是引力透镜效应造成的爱因斯坦十字??在众多引力透镜效应的观测结果中，子弹星系团的观测结果给出了目前暗??物质存在的最有力的证据［１０］
?第１章绪论???ＢＨＢＩ??图１．３子弹星系团观测结果图，红色区域通过Ｘ射线观测得到的重子分布图，蓝色区域??是通过引力透镜效应得到的暗物质分布图。??１．１．３宇宙微波背景辐射??宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸后残存的原初等离子体所放出的热辐射，??在经过了宇宙上百亿年的膨胀后，早期的背景辐射已经从原来的频率移动到了??现在的微波频率［１１］范围。在宇宙原始时期，宇宙中物质的温度和密度均很??高，质子和电子难以自由移动，从而以等离子体的形式存在，此时由于物质与??辐射之间相互干扰导致光子被质子和电子散射，因此此时的宇宙对辐射是不透??明的。随着宇宙的不断膨胀，宇宙中温度开始不断降低，当降低到约３０００Ｋ??时，质子与电子结合形成中性的氢原子。而中性原子不在吸收热辐射，因此宇??宙变得逐渐透明。这大约发生在大爆炸后３８万年，这段时间被称为“最后的散??射时间”，这是现在能观测到的最远的背景辐射。随后，宇宙经过不断膨胀，??宇宙背景辐射的光子产生了红移，从而形成的如今的约为３Ｋ的宇宙微波背景??辐射。??通过对宇宙微波背景辐射的研宄，科学家发现如今的宇宙温度分布整体上??是均匀的，但在一定范围内仍然存在着涨落，具有各向异性。图１．４显示的便??是美国?ＷＭＡＰ（Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ?Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ?Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ?Ｐｒｏｂｅ，ＷＭＡＰ）探测器精确测量??的整个天空的宇宙微波背景辐射。从图中可以看到宇宙中温度分布存在着一定??程度的涨落。通过精确测量这些涨落便能够获得包括物质的组成等暴涨时期宇??宙的物理信息［１２］。??４??
?第１章绪论???图１．４根据ＷＭＡＰ测试结果得到的宇宙微波背景辐射全天图。??截至目前，通过对宇宙微波背景辐射的测量，科学家给出宇宙中暗物质和??重子物质宇宙中丰度的最准确的测量结果。图１．５便是ＷＭＡＰ探测器观测到的??宇宙微波背景辐射的能谱图［１３］。图中第一个峰表征的是宇宙中包括暗物质、??暗能量、普通物质以及尚未发现的物质的总的能量贡献。第一个峰的角度尺度??决定了宇宙的曲率。第二个峰则是由早期宇宙的声学震荡引起的，其位置反映??了宇宙中普通物质的含量。第三个峰值可以用来获得关于暗物质密度的信息。??通过对这些能谱进行分析，科学家们得到了宇宙中暗能量约占宇宙总能量的??６９％，所有的普通物质占宇宙总能量的４．?８％，而其余的２６％则为暗物质。??６０００?１?１?￣７＾?１?１?１?［??ＷＭＡＰ７ｙｒｉ?：??Ｓ?５０００「?ｊ?＇?Ａｑ＾ｄ！ｉ??Ｉ?４０００，?／?＼?；??ｆａｏｏｏ：?／?＼?ｊ?—??ｆ－：?／?ｗ＼?—??＇?１０００?ｒ?［ｉｆｆｒ??〇?—Ｌ＿＿ｉ?１?１?１?１???１０?１００?５００?１０００?１５００?２０００??Ｍｕｌｔｉｐｏｌｅ?Ｍｏｍｅｎｔ?（／）??图１．５宇宙微波背景辐射的各向异性能谱??１．２?暗物质粒子候选者??通过对暗物质的不断深入研宄，暗物质通常被认为具有以下几种重要性??质。首先，暗物质必然是电中性的，这是因为暗物质与普通物质之间的相互作??用极弱，不可能携带任何极性的电荷。其次，暗物质还必须是稳定的，经过了??漫长的宇宙演变，暗物质仍然能够稳定存在，因此其必定是稳定存在的。接??着，暗物质还必须是宇宙
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