探测轻质量暗物质的高灵敏度液氙实验

本项目研制了基于液氙的高灵敏度暗物质探测器PandaX一期实验，并在锦屏地下实验室进行了暗物质的探测，首批结果排除了包括CoGeNT在内的多个实验宣称的疑似轻质量暗物质信号。在此过程中，我们选取了低本底的无氧铜、聚乙烯和老铅等材料建造了一个可容纳吨级液氙探测器的屏蔽系统，对岩石和实验室环境中的放射性本底起到了有效的压低作用。同时我们研制了一个吨级液氙制冷和氙气循环提纯系统，在PandaX一期约8个月的实验过程中将450公斤的液氙稳定维持在零下96摄氏度，并对其中的杂质进行了有效的移除，保证了探测信号的稳定性。本项目主要研制了一个具有高光采集效率（低阈能）的二相型氙时间投影室。该时间投影室直径达到60厘米（为国际同类实验中最大的），靶质量达到120公斤，并在国际上首次采用了Hamamatsu公司生产的R11410高量子效率大面积光电倍增管。在零点场下，该时间投影室对122 keV电子反冲的等效光产额达到了7.3光电子/keV，比XENON100实验提高了约一倍，探测阈能降低一半，提高了对轻质量暗物质探测的灵敏度。利用中子和伽玛射线刻度源对探测器的响应表明，在保持50%核反冲事例的情况下，该时间投影室对电子反冲本底的排除本领达到了99.7％，和XENON100, LUX等国际同类实验的本底排除本领处于相同水平。在首批17天的暗物质寻找数据中，我们对中心37公斤的有效靶质量中的数据进行了分析，在暗物质事例可能存在的低能区共找到46个候选事例，但这些事例全部来自于电子反冲本底。基于此结果，我们给出了对暗物质与核子碰撞截面的上限，完全排除了目前存在争议的低质量暗物质疑似信号的可能性，对低质量暗物质的探测结果是国际上最灵敏结果之一。目前，我们正在分析之后采集的数据，继续提高PandaX一期对暗物质探测的灵敏度。PandaX二期实验目前正在研制具有500公斤靶质量的探测器，在继续提高对轻质量暗物质的探测的灵敏度以外，将在各个暗物质质量区域（10 GeV/c2-10 TeV/c2）在其他实验尚未探索的区域展开暗物质的寻找。