江门实验原初黑洞丰度限制预研究及液闪放射性模拟研究

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自暗物质这一宇宙学概念提出以来,科学界对其的探索和研究就从未停止过。长期以来,关于暗物质的真实面目,科学家提出了很多猜想,原初黑洞(primordial black hole,PBH)作为众多猜想之一,随着近年来的LIGO实验观测到双黑洞合并产生的引力波后,再次引起关注。对于原初黑洞的观测,可以通过其霍金辐射释放的中微子流,由于其与物质的反应截面极小,几乎不会与物质发生反应,因此可以在很大程度上保留原初黑洞的内部信息,因此通过对这部分中微子的探测可以进一步了解原初黑洞的相关性质。本研究基于即将建成的江门中微子观测站,通过使用Black Hawk软件,实现了对不同质量的无自旋和有自旋原初黑洞模型产生的中微子流强的模拟研究。模拟结果表明,在相同质量情况下,有自旋黑洞能够释放出比无自旋情形更剧烈且能量更高的中微子流,而对于相同自旋情况下的黑洞模型,其释放的中微子流能谱范围和高能区通量则随黑洞质量的增加而减小。本研究进一步根据江门实验的探测参数,计算了江门实验预计可探测到的中微子信号,且基于目前已有的各种本底情况,对江门实验能够得到的原初黑洞构成暗物质的约束上限进行了预研究,给出了两种自旋情形下的原初黑洞丰度的预期值。预研究的结果显示,由于具有极高精度的中微子探测能力和更加有效的本底抑制方法,江门实验预期可以得到基于中微子直接探测情况下的更加严格的原初黑洞丰度1)PBH值,在无自旋黑洞情形下比同样基于中微子探测的Super-K实验结果严格约15倍。结果同时表明,基于目前的探测精度,原初黑洞在存在自旋的情况下,其构成暗物质比例将会比无自旋情形更低。同时,为了使探测原初黑洞中微子这样的极低本底实验能够顺利进行,保证实验所用的靶物质即液体闪烁体具有极高的纯度和极低的放射性,在将靶物质灌装进探测器的过程,就需要及时对其放射性活度进行监测,确保已灌装的液体闪烁体是符合实验探测要求的。对此,本研究使用Geant4软件对整个灌装过程中的液闪放射性情况进行了仿真模拟,通过对各探测器结构和材料中的放射性物质进行模拟,得到灌装过程中的液闪和探测器其他结构材料的放射性能谱和位置分布情况。然后根据实际灌装情况和不同的灌装深度,在模拟结果的基础之上,分别制定了相应的挑选方法和测量方案,并总结了相应的的测量方法,用于检测液闪质量是否达标。本研究基于对模拟结果分析得到的测量方法,为江门实验的实际测量过程提供了一些借鉴和参考。
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