科技日報記者近日從中國ATLAS組獲悉，大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)上的超環(huán)面儀器(ATLAS)國際實驗組將發(fā)布高顆粒度高時間分辨探測器(HGTD)的技術(shù)設(shè)計方案，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探測器目前不夠快

中國科學(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(zhì)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(fù)雜環(huán)境中精確測量新物理粒子等關(guān)鍵科學(xué)問題。

大型強(qiáng)子對撞機(jī)把兩束質(zhì)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(tài)可與宇宙大爆炸后不久的狀態(tài)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(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(qiáng)子對撞機(jī)中，亮度會越來越高，對撞后產(chǎn)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(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探測器的超快傳感器技術(shù)。他們采用類似硅雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)，通過修改PN結(jié)的設(shè)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(jīng)過近3年的研發(fā)，其時間分辨率已經(jīng)達(dá)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(xù)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(shù)國產(chǎn)化。

“除了在粒子物理的應(yīng)用，HGTD探測器的技術(shù)還可應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如航天與航空的輻照探測、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)在美國研制成功，未來可在質(zhì)子治癌的應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。另外，該技術(shù)的時間分辨率是目前醫(yī)用正電子發(fā)射計算機(jī)斷層掃描技術(shù)的10倍以上，在未來有望大幅度提高正電子發(fā)射計算機(jī)斷層掃描的圖像分辨率。”梁志均說。

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