高时间分辨探测器 拍出质子对撞高清“视频”

记者近日从中国ATLAS组获悉，大型强子对撞机(LHC)上的超环面仪器(ATLAS)国际实验组将发布高颗粒度高时间分辨探测器(HGTD)的技术设计方案，中方正在积极参与。
曾发现“上帝粒子”——希格斯玻色子的大型强子对撞机，是粒子物理科学家为了探索新粒子和微观量化粒子的高能物理设备，是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器。
ATLAS探测器目前不够快
中国科学院高能物理研究所副研究员梁志均告诉记者，本次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1000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新物理粒子等关键科学问题。
大型强子对撞机把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各种粒子，以及探索暗物质、超对称粒子等。”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“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。
中方积极参与ATLAS技术研发
在加州大学圣克鲁斯分校做博士后期间，梁志均曾与其导师共同研发出HGTD探测器的超快传感器技术。他们采用类似硅雪崩光电二极管结构，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。
“经过近3年的研发，其时间分辨率已经达到30皮秒，被ATLAS实验组选中用于高颗粒度高时间分辨探测器的研制。”梁志均说，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。
“除了在粒子物理的应用，HGTD探测器的技术还可应用于其他领域，如航天与航空的辐照探测、同步辐射成像、医学辐射成像等。其中，使用该技术的轻便型质子CT肿瘤成像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。
据悉，除了高时间分辨的传感器技术，ATLAS实验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。中国ATLAS组均积极参加这些研发，并有望发挥主导作用。