近日從中國(guó)ATLAS組獲悉，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上的超環(huán)面儀器（ATLAS）國(guó)際實(shí)驗(yàn)組將發(fā)布高顆粒度高時(shí)間分辨探測(cè)器（HGTD）的技術(shù)設(shè)計(jì)方案，中方正在積極參與。
曾發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”——希格斯玻色子的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，是粒子物理科學(xué)家為了探索新粒子和微觀量化粒子的高能物理設(shè)備，是現(xiàn)在世界上最大、能量最高的粒子加速器。
ATLAS探測(cè)器目前不夠快
中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所副研究員梁志均告訴記者，本次設(shè)計(jì)方案計(jì)劃研制時(shí)間分辨率為10皮秒的超快大面積探測(cè)器，其時(shí)間分辨是目前探測(cè)器的1000倍以上，將可以把ATLAS探測(cè)器記錄每次質(zhì)子對(duì)撞的“照片”變成一段上千幀的超清“視頻”，這將對(duì)粒子物理起到很大的推動(dòng)作用，解決在高亮度對(duì)撞的復(fù)雜環(huán)境中精確測(cè)量新物理粒子等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)把兩束質(zhì)子分別加速到7萬(wàn)億電子伏特的極高能量，并使之每隔25納秒對(duì)撞一次。每次對(duì)撞的能量狀態(tài)可與宇宙大爆炸后不久的狀態(tài)相比。“ATLAS實(shí)驗(yàn)是一個(gè)有6層樓高的大型探測(cè)器，它如一個(gè)高速照相機(jī)，每25納秒拍一張‘照片’，記錄質(zhì)子碰撞后的產(chǎn)物以供粒子物理學(xué)家研究，進(jìn)而從‘照片’中尋找標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的各種粒子，以及探索暗物質(zhì)、超對(duì)稱(chēng)粒子等。”梁志均說(shuō)。
然而，目前的ATLAS探測(cè)器還不夠快，記錄的“照片”中并沒(méi)有粒子的飛行時(shí)間信息。在未來(lái)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中，亮度會(huì)越來(lái)越高，對(duì)撞后產(chǎn)生的次級(jí)粒子越來(lái)越多，僅利用“照片”上的位置信息將難以判斷每個(gè)粒子徑跡來(lái)源于哪個(gè)對(duì)撞點(diǎn)。
中方積極參與ATLAS技術(shù)研發(fā)
在加州大學(xué)圣克魯斯分校做博士后期間，梁志均曾與其導(dǎo)師共同研發(fā)出HGTD探測(cè)器的超快傳感器技術(shù)。他們采用類(lèi)似硅雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)，通過(guò)修改PN結(jié)的設(shè)計(jì)，增加電場(chǎng)與減少硅傳感器的有效厚度，來(lái)提高傳感器的時(shí)間分辨率。
“經(jīng)過(guò)近3年的研發(fā)，其時(shí)間分辨率已經(jīng)達(dá)到30皮秒，被ATLAS實(shí)驗(yàn)組選中用于高顆粒度高時(shí)間分辨探測(cè)器的研制。”梁志均說(shuō)，回國(guó)后，他除了繼續(xù)參與ATLAS實(shí)驗(yàn)HGTD探測(cè)器的研究，也與高能所同事一起嘗試把該傳感器技術(shù)國(guó)產(chǎn)化。
“除了在粒子物理的應(yīng)用，HGTD探測(cè)器的技術(shù)還可應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如航天與航空的輻照探測(cè)、同步輻射成像、醫(yī)學(xué)輻射成像等。其中，使用該技術(shù)的輕便型質(zhì)子CT腫瘤成像樣機(jī)已經(jīng)在美國(guó)研制成功，未來(lái)可在質(zhì)子治癌的應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。另外，該技術(shù)的時(shí)間分辨率是目前醫(yī)用正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)的10倍以上，在未來(lái)有望大幅度提高正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描的圖像分辨率。”梁志均說(shuō)。
據(jù)悉，除了高時(shí)間分辨的傳感器技術(shù)，ATLAS實(shí)驗(yàn)組還在研發(fā)超快的時(shí)間數(shù)字化（TDC）讀出芯片，與數(shù)平方米級(jí)的大面積超快探測(cè)器組裝技術(shù)等。中國(guó)ATLAS組均積極參加這些研發(fā)，并有望發(fā)揮主導(dǎo)作用。
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