高纯锗探测器电场模拟研究论文

HPGe是用高纯度锗制成的PN探测器。在一定工作电压下PN结的耗尽层厚度与材料的电阻率的平方根成正比。当锗晶体中杂质的原子浓度小于1010/cm3时，即可满足制造HPGe探测器的要求。

目前的工艺水平已能制造体积比较大的探测器，可以分别满足低能X射线和高能γ射线的能谱测量要求。与Ge（Li）和Si（Li）能量分辨率相当。它的优点是可以常温下保存。

随着理论和实验的不断发展，物理学家逐步建立了粒子物理的“ 标准模型 ”。

在这个模型下，整个宇宙的基本粒子分为4类，分别是 夸克 、 轻子 、 矢量玻色子 和 标量希格斯粒子 。

其中，矢量玻色子是相互作用的 媒介子 ，通过规范作用传递着基本粒子之间的强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。

所有的基本粒子通过和希格斯子发生 相互作用 而获得质量。随着2012年希格斯粒子 在实验中发现 ，粒子物理标准模型完成最后一块“拼图”，证明了标准模型的巨大成功。

但是目前宇宙中仍然有许多标准模型解释不了的问题，表明 粒子物理标准模型并不是“终极”理论 ，而是电弱能标下的“有效”理论，仍然有超出标准模型的新物理亟待去发掘，这也是当前粒子物理学界的主要研究内容。

暗物质研究

暗物质超出了粒子物理标准模型，是当今物理学和天文学亟待解决的重大问题，在 实验中探测到暗物质并研究其物理属性 ，将是物理学的重大突破。

暗物质实验探测有3个主要方向—— 直接探测 、 间接探测 和 对撞机探测 。

国际新一代暗物质直接探测实验 PandaX-4T 4t级液氙实验 率先投入运行，取得大质量暗物质世界最强的限制。

间接探测包括暗物质粒子探测（ DAMPE ）和 AMS-02空间实验 积累了更多数据，给出更加精确的测量。

欧洲核子研究中心大型强子对撞机 LHC 上的暗物质寻找不断深入更加复杂的参数空间，并为即将开始的Run-3阶段取数做准备。

中国锦屏地下实验室（CJPL） 是世界上最深的实验室，有效屏蔽了来自宇宙线的干扰，提供了极其优越的实验环境，中国开展了 PandaX液氙实验 和 CDEX高纯锗实验 直接探测暗物质。

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近20年来，位于意大利的 DAMA/LIBRA实验 一直宣称观测到暗物质在NaI(Tl)晶体中产生的 年调制信号 ，然而相应的暗物质信号参数被各种类型的直接探测实验所排除。

为了更加确切地检验这个疑似信号，国际上试图用同样的低本底NaI(Tl)晶体开展实验。

2021年5月，西班牙 Canfrac地下实验室 采用 kg的低本底NaI(Tl)晶体探测器的ANAIS实验公布了3年曝光量的探测结果，并 没有发现显著年调制现象 。预计到2022年底，该实验将有超过3倍标准偏差灵敏的曝光量，可以给出更加确切的结论。

另一个采用106 kg低本底NaI(Tl)晶体的 COSINE-100实验 ，在韩国Yangyang地下实验室 a曝光量的数据，也 没有发现显著的年调制现象 。

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2020年，位于意大利Gran Sasso地下实验室的 XENON1T液氙实验 在 t·a曝光量的低能量电子反冲数据中，观测到了 大于3倍标准偏差的疑似信号 ，引起了暗物质理论和实验研究领域的广泛关注，亟需 同类型实验的进一步检验 。

中国 PandaX-II二期580 kg级液氙实验 积累了100 t·d的曝光量数据，直接从刻度数据中获取了 氙中主要的放射性杂质本底的特征谱 ，进而根据这些高可靠性的本底特征谱对电子反冲数据进行分析。

PandaX-II的结果显示，XENON1T观测的疑似信号 和当前数据并不矛盾 ，还需要提高数据统计量和探测灵敏度以给出确定性结论。

PandaX-II实验对轴子暗物质耦合常数（a）和中微子反常磁矩（b）的排除限，和XENON1T的疑似信号并不矛盾

国际上开展了多种类型暗物质探测的实验升级和研发，3个以液氙作为靶物质的实验，位于中国的PandaX-4T、欧洲的XENONnT和美国的LZ实验，将探测体量提升到了多吨级，预期能够 将探测灵敏度比之前提升1个数量级以上 。

其中， PandaX-4T液氙实验 在2020年底完成安装和调试，成为国际上首个投入运行的 多吨级液氙探测实验 ，在2021年上半年试运行的曝光量达到 t·a。

PandaX-4T探测器中应用了一系列新技术：研制了 新一代超大尺寸高透光的时间投影室探测器 ，大幅提高了探测器电场的均匀性和电子信号放大率，实现高分辨率的信号重建；采用了 无触发数据读出方式 ，有效降低了微弱信号的探测阈值；研制了 新型低温精馏氙系统 ，成功提纯6 t原料氙，将放射性杂质氪85的含量降低到PandaX-II时的1/20；有效利用液氙自屏蔽并结合多种放射性测量方法和表面清洗工艺，将单位探测靶中放射性本底降低到1/20，放射性杂质氡222的含量降低到1/6。

PandaX-4T首批数据的探测灵敏度较PandaX-II 提升了倍 ，给出了大质量暗物质和原子核自旋无关散射截面世界最强的限制。

PandaX-4T首批数据

对暗物质自旋无关散射截面的排除限

黄色区域为“中微子地板”，即探测灵敏度可以探测到太阳或大气中微子在探测器中的信号贡献

这批数据也显示，在暗物质质量10 GeV/ c 2附近区域，PandaX-4T实验开始触碰到所谓的“ 中微子地板 ”，即有可能探测到太阳中核聚变产生的硼8中微子同氙原子核的 相干散射信号 ，这种散射将是未来探测中微子的一个重要途径。

与此同时，国际上开始计划 几十吨级“终极”液氙探测实验 ，其中一个目标是将暗物质探测灵敏度推进到“中微子地板”。PandaX实验团队已经开展了相应的关键技术研发。

以液氩为靶物质 的探测器对大质量暗物质也有独特的探测灵敏度，几十吨级的低本底氩探测器的研发也在持续推进中。

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中国CDEX实验利用 点电极高纯锗探测器 ，可实现 低能量阈值的探测 ，对轻质量暗物质具有高灵敏度。

2021年CDEX实验公布了利用 kg·d曝光量的数据寻找有效场暗物质信号的结果。

直接探测实验中，暗物质和靶物质相互作用转移动量小，可以 用有效场算符的形式系统地研究 ，从而实现较为全面的覆盖多种可能的暗物质理论模型。

在分析中，CDEX实验将探测阈值降低到160 eV，针对小质量暗物质，系统性地给出了 非相对论下 多种类型有效场模型的耦合常数上限。

同时，利用 手征有效场理论 ，获得了6 GeV/ c 2质量以下世界最强的WIMP与pion介子散射截面的排除限。

目前CDEX实验正在开展50 kg级高纯锗探测阵列实验的研发，预期将探测灵敏度 提高2个数量级以上 。

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针对 小质量暗物质 ，直接探测实验也尝试不同探测方案来突破探测阈值的限制。

液氙探测实验 通过独立电离电子信号（S2-only）、Migdal或韧致辐射等次级效应来寻找小质量暗物质。

如 PandaX实验 在2021年初发表的S2-only数据分析结果，寻找暗物质和电子散射信号，在15~30 MeV/ c 2暗物质质量区间给出世界最强的 散射截面限制 。

SENSEI实验 采用了约2 g的高阻抗Skipper-CCD，在2020年底发表了24 d运行数据的结果，给出 MeV/ c 2质量的暗物质和电子散射信号世界最强的限制，以及 eV/ c 2质量的暗光子世界最强的限制。

SENSEI实验正在组装测试100 g探测模块，将 大幅度提升该质量范围的暗物质探测灵敏度 。

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在 暗物质间接探测 方面，中国暗物质探测卫星 DAMPE实验 和位于国际空间站的 AMS-02实验 继续积累数据。

2021年发表了AMS-02实验运行7 a以来的物理数据，给出 更加精确 的反电子、反质子等测量结果。

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在 对撞机探测 方面， 大型强子对撞机LHC 上的 ATLAS 和 CMS 实验不断深入分析Run-2运行时期的全部数据，寻找 暗物质产生过程 以及 中间传播子信号 。

对撞机探测不受原子核自旋大小的压制，通过寻找夸克或者胶子湮灭产生暗物质的过程，以及通过双喷注共振峰直接寻找轴矢量中间传播子，在一定的耦合常数下，可以 有效补充直接探测实验的结果 。

对撞机实验同时在寻找一些 复杂过程的暗物质模型 ，其中， 暗希格斯子模型 认为暗物质的质量起源有可能也存在类似希格斯子的破缺机制——暗希格斯子，暗希格斯子可以有和希格斯子类似的衰变过程。

ATLAS实验在2021年发表了 首个暗希格斯子衰变到2个矢量玻色子最终态的寻找结果 ，对中间传播子和暗希格斯子质量给出了限制。

LHC第三期取数Run-3即将开始，将累计更多的数据量进一步扫描多种暗物质产生模型。

中微子和粒子天体物理研究

粒子天体物理和粒子物理研究紧密联系， 宇宙线 具有地球上人造加速器无法达到的高能量，为我们认识极端高能物理过程、寻找新物理提供了宝贵的物质样本。

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2021年粒子天体物理领域最显著的成果来自中国国家重大 科技 基础设施—— 高海拔宇宙线观测站LHAASO 。

LHAASO于2021年完成建设并顺利通过工艺验收，正式进入科学运行阶段，以前所未有的灵敏度开展 伽马射线、宇宙线巡天观测 。

在建设期间，基于1/2阵列数据，LHAASO合作组发布了首批观测结果：发现 银河系中大量超高能宇宙加速器 ，为寻找河内宇宙线起源做出了重要推进；记录到 能量达 PeV的伽马射线光子 ，这是人类迄今为止观测到的最高能量光子，开创了超高能伽马射线这一崭新的天文窗口。

蟹状星云 是首批发现的12个超高能伽马射线源之一，一直作为伽马射线天文学的“标准烛光”，LHAASO的最新结果为此“标准烛光” 在超高能波段设定了亮度标准 。

LHAASO观测到来自蟹状星云方向的 PeV伽马射线光子

这些超高能伽马射线辐射产生PeV以上能段的电子，接近经典电动力学和理想磁流体力学理论所允许的加速极限， 对现有的粒子加速理论提出了严峻挑战 。

未来几年，LHAASO将持续对北天区开展巡天观测，扫描伽马射线源并精确测量“膝”区宇宙线能谱， 冲击宇宙线起源的世纪之谜 。

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另一种来自宇宙深处的重要物质样本是 高能中微子 。

2021年，位于南极冰层中的冰立方中微子天文台公布了首个 格拉肖共振事件 ——格拉肖预言，反电子中微子可与电子相互作用生成W-玻色子。产生格拉肖共振的中微子峰值能量为 PeV，可 从极端天体环境中得到 。

冰立方在此次簇射事例中测得 PeV的能量，考虑到簇射中的不可见能量，中微子能量被修正为约 PeV；事例中测到次级缪子的信号预示着 W-玻色子的强子衰变过程 ，为格拉肖共振提供了进一步证据。

冰立方的格拉肖共振事件再次验证了粒子物理标准模型， 揭示了天体反电子中微子的存在 。

对格拉肖共振事件的观测有望对天体中微子的产生机制做出限制。

未来几年是中微子天文学发展的关键时刻，国内外多个实验组提出了冰层、海洋、湖泊中的多种 下一代中微子望远镜方案 ，结合伽马射线、宇宙线、引力波的观测数据开展多信使天文学研究。

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在 超出标准三味中微子模型的新物理寻找 方面，位于美国费米国家加速实验室的MicroBooNE实验发布了新的测量结果，没有找到惰性中微子存在的迹象。

此前，LSND、MiniBooNE等 短基线实验 相继发现中微子的数量异常，引入第四种中微子—— 惰性中微子 。

MicroBooNE实验没有找到惰性中微子，表明其中的差异还需要进一步研究，中微子数量异常仍然是未解之谜。

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2021年，国际 无中微子双贝塔衰变实验 方向发展势头迅猛。

大型实验 中，CUORE和Kam⁃LAND-ZEN实验分别继续取数，GERDA的继任实验LEGEND-200即将开始运行。

国内无中微子双贝塔衰变实验在最近几年蓬勃发展，多个实验组提出了多种不同的实验方案，再次彰显了 马约拉纳中微子 这一问题的重要性和显著度。

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2021年， 中国江门中微子实验 的建设进展顺利，预期2023年开始取数，剑指中微子质量顺序、中微子混合参数的精确测量，有望率先获得具有国际竞争力的实验成果。

明天将介绍缪子反常磁矩研究、重味与强子物理研究、高能量前沿希格斯物理、电弱物理与新物理寻找这3个领域的进展，敬请关注！

论文全文发表于《 科技 导报》2022年第1期，原标题为《2021年粒子物理学热点回眸》，本文有删减，欢迎订阅查看。

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