把“照相机”变成“摄影机”！大型强子对撞机上将研制高时间分辨探测器

科技日报记者 马爱平

12月31日，记者获悉，大型强子对撞机上的超环面仪器（ATLAS）国际实验组将于2019年初发布高颗粒度高时间分辨探测器（HGTD）的技术设计方案，中国ATLAS组的成员中科院高能物理研究所、中国科学技术大学、南京大学、山东大学、上海交通大学等单位积极参与HGTD探测器的预研发。

大型强子对撞机是粒子物理科学家为了探索新的粒子，和微观量化粒子的“新物理”机制设备，是一种将质子加速对撞的高能物理设备，英文名称为LHC。坐落于日内瓦附近瑞士和法国的交界侏罗山地下100米深·总长17英里（含环形隧道）的隧道内，是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器。2008年9月10日，对撞机初次启动进行测试。

2010年，参与大型强子对撞机（LHC）项目的科学家表示，他们可能已经“接近”希格斯玻色子。希格斯玻色子也被称之为“上帝粒子”，据说在大爆炸之后宇宙形成过程中扮演重要角色。2015年4月5日，经过约两年的停机维护和升级后，欧洲大型强子对撞机重新启动，正式开启第二阶段运行，希望探索“发现”希格斯耦合粒子超对称粒子的存在。2018年8月，欧洲核子研究中心宣布，该机构人员用大型强子对撞机（LHC）加速了电离的铅原子，这是该设备首次用于加速原子。

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中国科学院高能物理研究所副研究员梁志均告诉科技日报记者，本次ATLAS实验高颗粒度高时间分辨探测器的设计方案，计划研制时间分辨率为10皮秒的超快大面积探测器，其时间分辨是目前探测器的一千倍以上，将可以把ATLAS探测器记录每次质子对撞的“照片“变成一段上千帧的超清”视频“，这将对粒子物理起到很大的推动作用，解决在高亮度对撞的复杂环境中精确测量“上帝”粒子等关键科学问题。

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位于瑞士的大型强子对撞机把将两束质子分别加速到7万亿电子伏特的极高能量，并使之每隔25纳秒对撞一次。每次对撞的能量状态可与宇宙大爆炸后不久的状态相比。

“ATLAS实验是一个有6层楼高的大型探测器，它如一个高速照相机，每25纳秒拍一张“照片“，记录质子碰撞后的产物以供粒子物理学家研究，进而从“照片”中寻找标准模型预言的“上帝”粒子、以及探索暗物质、超对称粒子等新物理。”梁志均说。

然而，目前的ATLAS探测器还不够快，记录的“照片“中并没有粒子的飞行时间信息。在未来的大型强子对撞机中，亮度会越来越高，对撞后产生的次级粒子越来越多，仅利用ATLAS探测器的“照片“上的位置信息将难以判断每个粒子径迹来源于哪个对撞点。因此研制具有高时间与高空间分辨的探测器将在未来粒子物理研究中起到关键作用。

梁志均在加州大学圣克鲁斯分校做博士后期间，与其合作导师Harmut Sadrozinski教授共同研发HGTD探测器的超快传感器技术。该技术的硅传感器采用类似硅雪崩光电二极管结构，工作在正比放大区，信噪比较高。通过修改PN结的设计，增加电场与减少硅传感器的有效厚度，来提高传感器的时间分辨率。

“在近三年，该技术发展很快，其时间分辨率已经达到30皮秒，是一般的硅探测器的百倍以上。该技术也被ATLAS实验用于研制高颗粒度高时间分辨探测器。”梁志均说，在回国后，他除了继续参与ATLAS实验HGTD探测器的研究，也与高能所同事一起尝试把该传感器技术国产化，与国内的半导体研究单位与国内的半导体公司合作研发这种超快的传感器技术，并利用国内的半导体加工生产线来流片。

据悉，除了高时间分辨的传感器技术，ATLAS实验HGTD项目组还在研发超快的时间数字化（TDC）读出芯片，与数平方米级的大面积超快探测器组装技术等技术。中国ATLAS组的单位均积极参加研发，并有望在未来的HGTD探测器的研制中发挥主导作用。

“除了在粒子物理的应用，HGTD探测器的技术在其他领域应用前景也是非常光明的，其中包括在航天与航空的辐照探测，同步辐射成像，医学辐射成像的应用（如正电子发射计算机断层扫描，质子治癌中质子CT肿瘤成像等应用）。其中，使用该技术的轻便型质子CT肿瘤成像的样机已经在美国研制成功，未来可在质子治癌的应用中发挥重要作用。另外，该技术的时间分辨率是目前医用正电子发射计算机断层扫描技术的10倍以上，在未来有望大幅度提高正电子发射计算机断层扫描的图像分辨率。”梁志均说。

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