高時間分辨探測器 拍出質子對撞高清“視頻” 中方正在積極參與

科技日報記者近日從中國ATLAS組獲悉，大型強子對撞機(LHC)上的超環面儀器(ATLAS)國際實驗組將發布高顆粒度高時間分辨探測器(HGTD)的技術設計方案，中方正在積極參與。

曾發現“上帝粒子”——希格斯玻色子的大型強子對撞機，是粒子物理科學家為了探索新粒子和微觀量化粒子的高能物理設備，是現在世界上最大、能量最高的粒子加速器。

ATLAS探測器目前不夠快

中國科學院高能物理研究所副研究員梁志均告訴記者，本次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1000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復雜環境中精確測量新物理粒子等關鍵科學問題。

大型強子對撞機把兩束質子分別加速到7萬億電子伏特的極高能量，并使之每隔25納秒對撞一次。每次對撞的能量狀態可與宇宙大爆炸后不久的狀態相比。“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’，記錄質子碰撞后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各種粒子，以及探索暗物質、超對稱粒子等。”梁志均說。

然而，目前的ATLAS探測器還不夠快，記錄的“照片”中并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，對撞后產生的次級粒子越來越多，僅利用“照片”上的位置信息將難以判斷每個粒子徑跡來源于哪個對撞點。

中方積極參與ATLAS技術研發

在加州大學圣克魯斯分校做博士后期間，梁志均曾與其導師共同研發出HGTD探測器的超快傳感器技術。他們采用類似硅雪崩光電二極管結構，通過修改PN結的設計，增加電場與減少硅傳感器的有效厚度，來提高傳感器的時間分辨率。

“經過近3年的研發，其時間分辨率已經達到30皮秒，被ATLAS實驗組選中用于高顆粒度高時間分辨探測器的研制。”梁志均說，回國后，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。

“除了在粒子物理的應用，HGTD探測器的技術還可應用于其他領域，如航天與航空的輻照探測、同步輻射成像、醫學輻射成像等。其中，使用該技術的輕便型質子CT腫瘤成像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。

據悉，除了高時間分辨的傳感器技術，ATLAS實驗組還在研發超快的時間數字化(TDC)讀出芯片，與數平方米級的大面積超快探測器組裝技術等。中國ATLAS組均積極參加這些研發，并有望發揮主導作用。