大型強子對撞機上將研制高時間分辨探測器

科技日報記者 馬愛平

12月31日，記者獲悉，大型強子對撞機上的超環面儀器（ATLAS）國際實驗組將於2019年初發布高顆粒度高時間分辨探測器（HGTD）的技術設計方案，中國ATLAS組的成員中科院高能物理研究所、中國科學技術大學、南京大學、山東大學、上海交通大學等單位積極參與HGTD探測器的預研發。

大型強子對撞機是粒子物理科學家為了探索新的粒子，和微觀量化粒子的「新物理」機制設備，是一種將質子加速對撞的高能物理設備，英文名稱為LHC。坐落於日內瓦附近瑞士和法國的交界侏羅山地下100米深·總長17英里（含環形隧道）的隧道內，是現在世界上最大、能量最高的粒子加速器。2008年9月10日，對撞機初次啟動進行測試。

2010年，參與大型強子對撞機（LHC）項目的科學家表示，他們可能已經「接近」希格斯玻色子。希格斯玻色子也被稱之為「上帝粒子」，據說在大爆炸之後宇宙形成過程中扮演重要角色。2015年4月5日，經過約兩年的停機維護和升級後，歐洲大型強子對撞機重新啟動，正式開啟第二階段運行，希望探索「發現」希格斯耦合粒子超對稱粒子的存在。2018年8月，歐洲核子研究中心宣布，該機構人員用大型強子對撞機（LHC）加速了電離的鉛原子，這是該設備首次用於加速原子。

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中國科學院高能物理研究所副研究員梁志均告訴科技日報記者，本次ATLAS實驗高顆粒度高時間分辨探測器的設計方案，計劃研制時間分辨率為10皮秒的超快大面積探測器，其時間分辨是目前探測器的一千倍以上，將可以把ATLAS探測器記錄每次質子對撞的「照片「變成一段上千幀的超清」視頻「，這將對粒子物理起到很大的推動作用，解決在高亮度對撞的複雜環境中精確測量「上帝」粒子等關鍵科學問題。

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位於瑞士的大型強子對撞機把將兩束質子分別加速到7萬億電子伏特的極高能量，並使之每隔25納秒對撞一次。每次對撞的能量狀態可與宇宙大爆炸後不久的狀態相比。

「ATLAS實驗是一個有6層樓高的大型探測器，它如一個高速照相機，每25納秒拍一張「照片「，記錄質子碰撞後的產物以供粒子物理學家研究，進而從「照片」中尋找標準模型預言的「上帝」粒子、以及探索暗物質、超對稱粒子等新物理。」梁志均說。

然而，目前的ATLAS探測器還不夠快，記錄的「照片「中並沒有粒子的飛行時間信息。在未來的大型強子對撞機中，亮度會越來越高，對撞後產生的次級粒子越來越多，僅利用ATLAS探測器的「照片「上的位置信息將難以判斷每個粒子徑跡來源於哪個對撞點。因此研制具有高時間與高空間分辨的探測器將在未來粒子物理研究中起到關鍵作用。

梁志均在加州大學聖克魯斯分校做博士後期間，與其合作導師Harmut Sadrozinski教授共同研發HGTD探測器的超快傳感器技術。該技術的矽傳感器採用類似矽雪崩光電二極管結構，工作在正比放大區，信噪比較高。通過修改PN結的設計，增加電場與減少矽傳感器的有效厚度，來提高傳感器的時間分辨率。

「在近三年，該技術發展很快，其時間分辨率已經達到30皮秒，是一般的矽探測器的百倍以上。該技術也被ATLAS實驗用於研制高顆粒度高時間分辨探測器。」梁志均說，在回國後，他除了繼續參與ATLAS實驗HGTD探測器的研究，也與高能所同事一起嘗試把該傳感器技術國產化，與國內的半導體研究單位與國內的半導體公司合作研發這種超快的傳感器技術，並利用國內的半導體加工生產線來流片。

據悉，除了高時間分辨的傳感器技術，ATLAS實驗HGTD項目組還在研發超快的時間數字化（TDC）讀出晶片，與數平方米級的大面積超快探測器組裝技術等技術。中國ATLAS組的單位均積極參加研發，並有望在未來的HGTD探測器的研制中發揮主導作用。

「除了在粒子物理的應用，HGTD探測器的技術在其他領域應用前景也是非常光明的，其中包括在太空與航空的輻照探測，同步輻射成像，醫學輻射成像的應用（如正電子發射計算機斷層掃描，質子治癌中質子CT腫瘤成像等應用）。其中，使用該技術的輕便型質子CT腫瘤成像的樣機已經在美國研制成功，未來可在質子治癌的應用中發揮重要作用。另外，該技術的時間分辨率是目前醫用正電子發射計算機斷層掃描技術的10倍以上，在未來有望大幅度提高正電子發射計算機斷層掃描的圖像分辨率。」梁志均說。

來源：科技日報 文中圖片除註明外均來自網路

編輯：朱麗

審核：管晶晶