[论文解读] PandaX: A Liquid Xenon Dark Matter Experiment at CJPL

X. G. Cao, Xuanyao Chen+48 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 12

一句话总结

PandaX 是在中国锦屏地下实验室运行的液态氙暗物质实验，采用双相模式，第一阶段使用 120 kg 的目标质量。它实现了稳定运行，具备完整的探测器性能，包括高效的信号读出和低本底水平，为未来升级至多吨级以开展直接暗物质探测和 136Xe 双贝塔衰变搜索铺平了道路。

ABSTRACT

PandaX is a large upgradable liquid-xenon detector system that can be used for both direct dark-matter detection and $^{136}$Xe double-beta decay search. It is located in the Jinping Deep-Underground Laboratory in Sichuan, China. The detector operates in dual-phase mode, allowing detection of both prompt scintillation, and ionization charge through proportional scintillation. The central time projection chamber will be staged, with the first stage accommodating a target mass of about 120\,kg. In stage II, the target mass will be increased to about 0.5\,ton. In the final stage, the detector can be upgraded to a multi-ton target mass. In this paper a detailed description of the stage-I detector design and performance results established during the commissioning phase is presented.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、低本底的液态氙探测器，用于深地实验室中的直接暗物质探测。
• 证明双相氙时间投影室（TPC）技术在低放射性核素环境中的可行性。
• 建立稳健的数据获取与在线监控系统，实现实时性能追踪与数据完整性保障。
• 实现低温、高压及纯化系统稳定运行，确保暗物质探测灵敏度。
• 为未来升级至多吨级探测器奠定基础，以提升对弱相互作用大质量粒子（WIMPs）和 136Xe 双贝塔衰变的探测灵敏度。

提出的方法

• 利用双相氙时间投影室（TPC）探测粒子相互作用产生的瞬发闪烁光（S1）和比例电离电荷（S2）信号。
• 第一阶段采用 120 kg 液态氙靶，具备分阶段升级至 0.5 吨，最终实现多吨级的路径。
• 部署低温系统，通过液氮冷却的冷指维持氙在约 165 K 的液态相。
• 采用气体循环与纯化系统，使用锆基吸气剂降低电负性杂质，抑制电子漂移抑制。
• 使用 92 个 2 英寸的滨松 R8500-MOD 光电倍增管（PMT）收集 S1 和 S2 信号，具备高动态范围和低暗噪声。
• 实施基于 VME 的数据获取系统，采用快速 FADC 和使用 MBLT 协议的光纤链路，最大限度减少死时间，并支持实时在线监控。

实验结果

研究问题

• RQ1 大规模液态氙 TPC 能否在深地实验室中实现稳定、低本底运行？
• RQ2 双相探测系统的性能如何？具体体现在 S1 和 S2 信号分辨率及电荷收集效率方面？
• RQ3 探测器的数据获取与在线监控系统能否支持高触发率下的实时数据处理与质量控制？
• RQ4 在低温、高压与气体纯化方面，系统层面的关键挑战是什么？能否在长期运行中有效缓解？
• RQ5 探测器是否达到了直接暗物质探测所需的能量阈值与本底抑制水平？

主要发现

• 低温系统在调试期间成功将液态氙靶稳定维持在约 165 K，蒸发损失极低。
• 气体纯化系统将电负性杂质降低至可实现电子漂移且抑制极小的水平，实现了约 100 cm 的漂移长度。
• 高压系统在约 20 kV 下稳定运行，S2 信号在 TPC 全域的一致性证实了电场分布均匀。
• 数据获取系统实现了高达 60 MB/s 的数据传输速率，对应约 100 Hz 的触发率与 200 μs 的读出窗口。
• 通过 FPGA 实现的基线抑制将原始数据量减少了约 8 倍，且无信号失真，实现了高效存储与处理。
• 通过实时网络仪表板实现的在线监控成功追踪了打点图、波形与触发率，确保了系统健康状态的持续监控。