暗物质探测器的Geant4模拟研究

摘要

暗物质是当今物理学领域的重大课题之一，宇宙学要求暗物质存在且是低温无碰撞型的。基于此假设，粒子物理学在除标准模型之外提出了多种候选者，其中超对称模型(SUSY)给出的弱相互作用重粒子(WIMPs)，由于其在高速运动时能穿过探测器屏蔽层，与探测器内的原子进行碰撞，并会传递大约几十KeY的能量给原子，这导致原子被电离、激发或产生晶格振动，从而能被探测到。这使得WIMPs成为暗物质实验最热门的候选者。所以WIMPs的探测，对新物理的发展具有非常重要的意义。
　　在暗物质直接探测实验中，相互作用率很低，因此排除本底是提高信号分辨率的关键。基于此，本文研究了CsI(Na)晶体探测器中反冲核信号与电子信号的特征，并依据它们的积分值为甄别阈值来排除电子信号，结果能使误判率降低，同时正确率可达到80％。进一步的实验研究发现适当的低温可以在提高本底排斥能力的同时降低探测阈值，实验结果表明在-100℃左右时信号分辨效果最佳。
　　本文基于Geant4对暗物质中心探测器进行了模拟，包含对中心探测器的几何形状及屏蔽层材料的模拟。文中对不同尺寸的圆柱体晶体进行光收集及能量分布对比发现，小晶体比大晶体能收集到更多的光子，另外从制作工艺上小晶体更容易制作，所以中心探测器选用直径为10cm、高为50cm的小晶体。
　　另外从屏蔽层材料的选取上，本文对宇宙线Muon本底事例进行了模拟，并通过对比不同反符合及不同材质的低温壁得到:用内层水做反符合时总的muon本底数比用双层水做反符合时少，所以实验中采用双层水做反符合;用不锈钢罐做低温壁时总的muon本底数比用四氟聚乙烯做低温壁时少，所以实验中采用不锈钢罐作低温壁。
　　目前暗物质直接探测大科学工程正在顺利的进行，本文的研究结果对探测器设计参数进行了优化，也为暗物质探测器的屏蔽设计提供了参考。

目录

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摘要

第一章 引言

1．1 暗物质的提出和存在证据

1．2 暗物质的理论模型

1．3 暗物质粒子的探测方法

第二章 暗物质直接探测实验简介

2．1 WIMPs的直接探测

2．2 典型的直接探测实验

2．2．1 DAMA实验

2．2．2 CDMS实验

2．2．3 XENON实验

2．3 国内对暗物质粒子的探测计划

第三章 CsI(Na)晶体闪烁体探测器

3．1 闪烁体探测器简介

3．2 暗物质探测对闪烁体的要求

3．3 晶体闪烁体分类

3．4 闪烁体的闪烁过程

第四章 CsI(Na)双发光脉冲波形分辨研究

4．1 双发光晶体技术

4．1．1 双发光晶体的提出

4．1．2 发光晶体分类

4．1．3 双发光晶体的粒子分辨原理

4．2 CsI(Na)双发光脉冲波形分辨研究

4．2．1 实验模型的建立

4．2．2 波形分辨(PSD)原理

4．2．3 数据分析

4．2．4 实验结果讨论

第五章 暗物质探测实验中Geant4模拟研究

5．1 Geant4及ROOT简介

5．2 Geant4模拟程序结构的构建

5．3 小晶体散射实验模拟研究

5．3．1 探测器几何

5．3．2 探测器相关参数

5．3．3 模拟结果

5．3．4 模拟结果分析

5．4 两种圆柱形晶体模拟对比

5．4．1 小晶体示意图

5．4．2 大晶体示意图

5．4．3 光收集模拟结果对比

5．4．4 能量分布对比

5．5 暗物质探测器Muon本底模拟研究

5．5．1 探测器几何

5．5．2 模拟相关参数

5．5．3 不同结构反符合的对比

5．5．4 不同材质低温壁的对比

第六章 总结和展望

参考文献

致谢