低能核反冲在液氙暗物质探测器中的发光和电离效率

摘要

大质量弱相互作用粒子（weakly interacting massive particles WIMPs）是目前暗物质粒子的最具吸引力的候选之一。近二十年来，无数暗物质探测实验被开发用于WIMPs粒子的直接探测。其中，液氙探测器是所有直接探测试验中最有希望的一种。液氙探测器用来探测暗物质粒子（WIMPs）与探测器中原子发生弹性散射作用所引起的核反冲，从而达到对暗物质粒子的直接探测的目的。当液氙探测器中的某个氙原子与暗物质粒子发生弹性散射，该原子会获得大约几到几十千电子伏特（keV）的动能成为一个反冲原子。反冲原子在探测器介质中运动并减速，在此期间会激发或者电离探测器中其他原子，产生实验中容易探测到的瞬时发光信号（以下简称为发光信号）S1或者电离正比发光信号（以下简称为电离信号）S2。其中发光信号是由激发电子退激发，或者被电离电子与负离子重新结合并退激发而产生，而电离信号则是由于被电离的电子在外加电场作用下，漂移到气态探测器室中而产生。
　　在液氙探测器中，有两个重要的参数，即相对发光效率（relative scintilla-tion e?ciency Leff）和电离效率（ionizationyield Qy）。这两个参数有效地的将实验易探测到发光信号S1或者电离信号S2与暗物质粒子（WIMPs）在探测器中原子反冲的初始能量联系起来。如果Leff或者Qy能够精确的计算出来，那么结合实验对原子反冲所产生的发光信号S1或者电离信号S2测量，实验学家可以重构原子反冲的能量，从而对暗物质粒子的相关性质进行进一步分析。原则上讲，Leff和Qy可以通过实验进行测量。然而这项任务在低能原子反冲区却很有挑战性。大多数实验通过中子源来产生核反冲，从而模拟暗物质粒子产生的原子反冲信号来测量Leff和Qy，但是实验的性质决定了核反冲的能量越低（keV能量区域附近），该实验的系统误差就会越大。同时，由于轻暗物质粒子（WIMPs）的质量多数在几个吉电子伏特（GeV）左右，其产生的原子反冲能量多数在数个千电子伏特（keV）。针对这种情况，本文对液氙探测器在低能区的发光和电离过程进行了详尽的研究和理论分析，并且对Leff和Qy在低能区的行为做出了相应的理论预测。
　　基于Lindhard的基本积分方程以及二体碰撞模型，我们开发了一个计算机程序来模拟原子反冲在液氙探测器中的减速过程。利用该程序，我们可以计算出原子反冲在减速过程中的电子能损的具体数值。通常来说，这个数值与原始原子反冲能量的比值被称为Lindhard系数（Nuclear Quenching Factor qnc）。从而可以进一步来计算发光信号和电离信号的数量。为了得到qnc在低能区的精确值，我们对低能区的氙原子在液氙介质中的电子能损的过程，现存的理论模型，以及实验数据进行了分析，对传输截面法（Transport Cross Section）求电子能损Se的方法做了修正，从而重新计算了Se。我们的理论结果与中等能量区域（40到100千电子伏特）的实验结果符合得很好。为了进一步计算光信号和电离信号的数值，我们对电子与负离子的结合过程进行了分析，修正并推广了现有的Thomas-Imel模型。通过该修正，我们预测了电子与负离子在外场下的结合效率，从而能够精确计算出发光信号和电离信号的数值。
　　将我们所做的研究结合起来，我们得到Leff和Qy在低能区的理论预测值。我们对Leff和Qy的理论预测与中子散射实验的测量结果符合的很好。在无实验数据区域（低于3千电子伏特的区域），我们所预测的Leff迅速降低。该现象与之前文献中所做的假设相矛盾。我们所预测的Qy随着原子反冲能量的降低而升高，在2到3千电子伏特的区域达到最大值。这个预测结果可以将探测器的探测极限进一步降低到大约1千电子伏特左右。由于电离信号相对易于探测，该预测有可能被实验进一步证实或者证伪。

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第一章 暗物质和液氙探测器对WIMP暗物质粒子的直接探测

1.1 暗物质粒子存在的证据和候选对象

1.1.1 宇宙中消失的质量和暗物质假说

1.1.2 暗物质和大质量弱相互作用粒子

1.2 大质量弱相互作用粒子的直接探测方法和液氙探测器技术

1.2.1 大质量弱相互作用粒子的直接探测方法

1.2.2 基本液氙探测器

1.2.3 双模液氙探测器的发光效率和电离效率

第二章 反冲核在液氙探测器中的能量损失过程

2.1 反冲核在介质中的减速过程

2.1.1 不同粒子在液氙介质中的减速过程

2.1.2 Lindhard基本积分方程

2.2 核反冲减速过程的计算机模拟

2.2.1 核反冲减速过程的简化

2.2.2 原子核二体碰撞的动力学研究

2.2.3 液氙的径向分布函数

第三章 核反冲的电子能量损失

3.1 电子单位距离能损的理论模型

3.1.1 动量传输截面理论

3.1.2 线性响应理论

3.1.3 理论预测与实验数据的对比

3.2 动量传输截面理论的修正

3.2.1 等效电子密度

3.2.2 氙的电子单位距离能损

3.3 实际的电子单位距离能损

3.4 电子能损和Lindhard系数

第四章 液氙探测器中的电子和正离子的重新结合

4.1 液氙探测器的发光和电离过程

4.1.1 激发原子，自由电荷和Platzman方程

4.1.2 S1和S2信号的反关联现象

4.2 电子和正离子对结合的理论研究

4.2.1 对于电子反冲事件的Thomas-Imel模型

4.2.2 对于核反冲的Thomas-Imel模型的推广

第五章 低能核反冲在液氙探测器中的发光和电离效率

5.1 液氙探测器中的相对发光效率

5.2 液氙探测器中的电离效率

5.2.1 产生一对自由电子和氙正离子的平均能量

5.2.2 电离效率

5.3 理论模型的进一步讨论

参考文献

致谢