PandaX暗物质探测实验首期物理研究

The first phase of the PandaX direct dark matter detection experiment has started to run at the China Jinping Underground Lab since early 2014, with a 120kg xenon target and 25kg fiducial volume. The experiment uses the dual-phase xenon technology, allowing detecting both light and charge signals resulting from dark matter particles’ collisions with atomic nuclei. The central detector is a time-projection chamber （TPC） in a pancake shape, consisting of top and bottom layers of Photo Multiplier Tubes and high electric field, allowing a smaller detection threshold than similar experiments. This proposal suggests three physics studies with this detector: 1) study the physical capabilities and properties of the detector including the ability of distinguish electronic and nuclei recoils; 2) study the level of environmental background, therefore understand the ultimate sensitivity of the detector; 3) study the detection limit for low-mass dark matter particles, as this might be the most sensitive detector for this purpose. This proposal represents the Chinese PandaX collaboration, asking for partial funding of the data acquisition and physics analysis.

中国液氙暗物质直接探测实验PandaX第一期的120公斤量级探测器（25公斤有效靶）已经于2014年初起开始在世界最深的四川锦屏地下实验室开始物理运行。该实验采用气液两相技术来采集暗物质粒子和原子核碰撞而引起的发光和电离两种不同的信号。本申请书建议三方面的物理研究：1) 通过放射定标对探测器的各种性质包括核反冲和电子反冲进行分辨能力的研究；2) 通过对各种放射性本底的综合测量，对探测器的灵敏度和探测暗物质的物理能力进行研究；3) 中心探测器 (TPC, 时间投影室）在同类探测器中具有较低的探测阈值, 可以用来对低质量暗物质粒子进行有竞争能力的暗物质探测研究。本申请书代表中国PandaX合作组申请取得首期探测实验所必需的数据采集和物理分析的部分经费。

暗物质代表了宇宙中约85%的物质含量，但我们对暗物质的本质所知甚少。依托锦屏实验室，PandaX暗物质旨在利用液态氙气作为暗物质靶和探测器，探测暗物质和氙原子核碰撞信号。PandaX首期实验是一个120公斤级的探测实验，2014年投入正式运行。在此之后，实验团队完成了探测器升级工作，开展了580公斤级的二期实验。本项目的研究内容就是基于这两代实验的数据开展对暗物质的物理研究工作。取得的重要成果有：1）利用PandaX一期低阈值液氙探测器数据，对轻质量暗物质疑似事例做出判别；2）建成国际领先的PandaX二期半吨级液氙探测器，对暗物质的性质做出国际最强限制；3）利用PandaX二期探测器，对多种“新物理”理论进行检验。自2016年起在物理学顶级杂志《物理评论快报》上发表国际领先的暗物质探测结果5篇（其中1篇为封面文章，4篇为“编辑推荐”亮点文章），《Nature Physics》一篇，总引用率1200余次。系列成果被诺奖得主格拉肖誉为中国粒子物理领域的标志性成果之一。这些成果在科学上显著推动了对暗物质性质的限制，同时也为下一代更加灵敏的暗物质实验提供了技术积累。

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