【摘 要】
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众多的天文学和宇宙学观测都表明了暗物质的存在,且是宇宙物质组成的主要部分。大质量弱相互作用粒子（Weakly Interacting Massive Particle,WIMP）被认为是最有可能的暗物质候选粒子。关于WIMP暗物质粒子的直接探测已经成为当今物理学的前沿课题。最近几十年来,国际上已有各种地下探测实验（例如XENON、LUX）展开了对WIMP暗物质的直接测量。位于中国锦屏地下实验室（C
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
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众多的天文学和宇宙学观测都表明了暗物质的存在,且是宇宙物质组成的主要部分。大质量弱相互作用粒子（Weakly Interacting Massive Particle,WIMP）被认为是最有可能的暗物质候选粒子。关于WIMP暗物质粒子的直接探测已经成为当今物理学的前沿课题。最近几十年来,国际上已有各种地下探测实验（例如XENON、LUX）展开了对WIMP暗物质的直接测量。位于中国锦屏地下实验室（CJPL）的PandaX实验采用先进的二相型氙时间投影室技术,对WIMP暗物质进行直接探测,通过测量暗物质等稀有物理事件在液氙中产生的发光和电离信号,进而得到信号发生的位置和能量。PandaX实验组由来自上海交通大学、上海应用物理研究所等十多所研究机构的成员组成。其一期实验PandaX-I在2016年已经完成,以54.0千克×80.1天的曝光量取得了当时国际前沿的暗物质探测结果。二期实验PandaX-Ⅱ利用500千克级的液氙进行更大规模的WIMP暗物质直接探测,于2016年开始运行,到2019年6月正式结束运行,总共积累了132吨·天曝光量的暗物质探测数据。PandaX-Ⅱ在2016和2017年分别发布了曝光量为33吨·天和54吨·天的探测数据,对于40 GeV/(82的WIMP质量得到自旋不相关的WIMP-核子弹性散射截面的上限分别为2.5×10-46和8.6×10-47cm2,是当时世界上最好的探测结果。这篇博士论文将主要介绍PandaX-Ⅱ实验以及对132吨·天的全部曝光量数据的分析。数据分析部分主要讨论分析过程里的一些关键课题和各种分析技术的改进,包括:PandaX-Ⅱ的数据处理流程,信号的质量选择条件,探测器的响应修正,对信号的位置、能量进行重建,低能核反冲与电子反冲事例的刻度和信号模型,探测器中各种本底的估计,对最终候选事例的选择与讨论,以及通过剖面似然拟合分析最终得到的探测灵敏度和排除曲线。通过对PandaX-Ⅱ全部曝光量数据的分析,我们没有发现相对于本底的明显WIMP信号超出,由此得到对自旋不相关的WIMP-核子弹性散射截面上限,其最小排除点是在WIMP质量30 GeV/(82处,散射截面上限为2.2×10-46cm2。通过该研究,我们完善了关于液氙探测器的实验与数据分析技术,能够为下一代四吨级液氙实验PandaX-4T提供重要经验,以进一步覆盖WIMP暗物质信号的参数空间。
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