探测暗物质信号的光电倍增管阵列

PandaX是“粒子和天体物理氙探测器”(Particle and Astrophysical Xenon Detector)的英文简写. 该实验是由上海交通大学牵头组织领导的、包括中国和美国的六个机构(山东大学、中科院上海应用物理研究所、北京大学、雅砻江流域水电开发有限公司、美国马里兰大学和美国密西根大学)的共40多位研究人员参与的大型暗物质研究项目. 这是中国第一个大规模的惰性气体暗物质探测实验. 该项目的最终目标是建成吨量级液氙暗物质探测装置, 并在世界最深的中国锦屏地下实验室(CJPL)中运行, 对暗物质进行世界上最灵敏的探测, 并对其本质进行研究.

大量的天文观测表明宇宙中有大约27%的成分是由一种具有质量却与普通物质没有电磁和强相互作用的暗物质所组成. 暗物质尚无法用人类已经认识的任何微观粒子来解释. 揭开暗物质本性之谜不仅将大大加深人类对宇宙的认识, 同时也将对微观粒子物理研究提出新的方向. 暗物质的本性之谜被普遍认为是21世纪物理和天文学中最具有挑战性的问题之一.

PandaX项目采用了流行的“二相型氙”技术, 来测量可能的参与弱相互作用的暗物质候选者与氙原子核发生弹性碰撞所留下的微弱信号. 其基本探测原理是碰撞过程中的能量会激发氙原子到激发态, 或者让其电离. 氙原子从激发态跃迁到基态过程以及电子-氙离子复合过程都会产生闪烁光信号S1, 外加的电场让产生的未复合自由电子在液氙中漂移, 这些电子被更强的电场抽取到气氙当中, 产生正比闪烁光信号S2. 这两个信号都能够被探测器顶部和下方的光电倍增管阵列探测到. S1信号和S2信号的相对大小可以用来将暗物质产生的原子核反冲的事件和伽马射线本底产生的电子反冲的事件区分开.

由于宇宙射线、环境中的放射性同位素、以及探测器中的放射性同位素都能在探测器中产生信号, 该实验的首要目标是尽量减少这些本底在探测器中产生信号的数目. 锦屏地下实验室提供了2400米厚的低放射性岩石覆盖, 将以μ子为主的宇宙线本底降低到海平面的万分之六, 从而使得由于μ子导致的中子本底可以忽略. 该实验建造了一个100吨的由聚乙烯、铅及高纯铜组成的屏蔽体, 用于屏蔽环境岩石中的铀、钍等元素的衰变产生的伽马射线以及中子. 通过不断地向屏蔽体内部通入干燥的氮气, 该实验将屏蔽体内的放射性氡的放射强度降低到了每立方米每秒10个的量级. 液氙内部的放射性氪-85被持续的循环提纯过程降低了到低于100ppt的浓度. 此外, 探测器和屏蔽体所用的材料和光电倍增管都预先经过了放射检测站的检测和预选, 以确保它们本身的放射性强度不会给本底造成显著贡献.

在屏蔽手段上的努力并不能完全阻挡本底信号. 由于二相型氙技术可以精确测量碰撞所发生的位置, 这样可以利用氙的自屏蔽效应将发生在液氙外层区域的事件排除开, 结合S1信号和S2信号的相对大小的判据, 从而在内部的“灵敏区间”内, 得到候选的可能暗物质信号.

PandaX项目于2009年正式立项. 2012年7月合作组在上海交通大学完成制冷设备、杜瓦系统内外罐、首期125公斤级探测器的建造和初步调试. 实验设备在2012年8月16日运抵四川锦屏山. 之前, 实验需要的屏蔽体也在锦屏地下实验室搭建完成. 在2012年到2014年初的时间内, 该实验在锦屏山对整个实验系统进行了安装和调试, 进行了两次试运行, 成功测试了制冷系统、电子学系统及数据采集系统, 并完成了对二相型氙技术的验证, 对探测系统进行了定标和测试, 得到了6个光电子/keV的光产额. PandaX 实验已于2014年3月关闭屏蔽体, 正式开始第一阶段125公斤级的实验数据采集. 据悉, PandaX实验将在不久以后公布其首期运行的实验结果.

2014年8月出版的《中国科学：物理、力学、天文学》将公布四川锦屏地下实验室中的暗物质直接探测实验PandaX其设计原理和建成装置的测试报告，本文将揭开大型暗物质实验PandaX的神秘面纱。（来源：科学网）