梁志均：把“照相機(jī)”變成“攝影機(jī)”

王霞

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的ATLAS國際實(shí)驗(yàn)組最近發(fā)布了高顆粒度高時(shí)間分辨探測(cè)器（HGTD）的初步設(shè)計(jì)方案，中國ATLAS組的成員中科院高能物理研究所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南京大學(xué)，上海交通大學(xué)等單位參與HGTD探測(cè)器的預(yù)研發(fā)。

位于瑞士的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)把將兩束質(zhì)子分別加速到14萬億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。

記者了解到，ATLAS實(shí)驗(yàn)是一個(gè)有6層樓高大型探測(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，并從“照片”中尋找標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的“上帝”粒子、探索暗物質(zhì)、超對(duì)稱粒子等新物理。

然而，目前的ATLAS探測(cè)器還不夠快，的“照片“中并沒有粒子的飛行時(shí)間的信息。在未來的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中，亮度會(huì)越來越高，對(duì)撞后產(chǎn)生的次級(jí)粒子越來越多，ATLAS探測(cè)器的“照片“上的位置信息將不夠用，難以區(qū)分每個(gè)粒子徑跡從哪個(gè)對(duì)撞點(diǎn)來的，因此研制具有高時(shí)間與高空間分辨的探測(cè)器將在未來粒子物理研究中起關(guān)鍵作用。

中國科學(xué)院高能物理研究所副研究員梁志均介紹，本次ATLAS實(shí)驗(yàn)高顆粒度高時(shí)間分辨探測(cè)器的設(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)器的一千倍以上，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)未來對(duì)撞機(jī)物理有很大的推動(dòng)作用，將解決在高亮度對(duì)撞的復(fù)雜環(huán)境中精確測(cè)量“上帝”粒子的關(guān)鍵科學(xué)問題。

據(jù)悉，梁志均回國前在加州大學(xué)圣克魯斯分校做博士后期間，與其合作導(dǎo)師Harmut Sadrozinski教授共同研發(fā)HGTD探測(cè)器的超快傳感器技術(shù)，在傳感器模擬與測(cè)試方面做了很多研究。

“該技術(shù)的硅傳感器采用類似硅雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)，工作在正比放大區(qū)，信噪比較高。通過修改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，來提高傳感器的時(shí)間分辨率。在近三年，該技術(shù)發(fā)展很快，其時(shí)間分辨率已經(jīng)達(dá)到30皮秒，是一般的硅探測(cè)器的百倍以上。該技術(shù)也被ATLAS實(shí)驗(yàn)用于研制高顆粒度高時(shí)間分辨探測(cè)器?！绷褐揪f。

梁志均在回國后，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)國產(chǎn)化，與國內(nèi)的半導(dǎo)體研究單位與國內(nèi)的半導(dǎo)體公司合作研發(fā)這種超快的傳感器技術(shù)，并利用國內(nèi)的半導(dǎo)體加工生產(chǎn)線來流片。

據(jù)了解，除了高時(shí)間分辨的傳感器技術(shù)，ATLAS實(shí)驗(yàn)HGTD項(xiàng)目組還在研發(fā)超快的時(shí)間數(shù)字化（TDC）讀出芯片技術(shù)，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ATLAS組的單位均積極參加研發(fā)，有望在未來的HGTD探測(cè)器的研制中發(fā)揮主導(dǎo)作用。

“HGTD探測(cè)器的技術(shù)除了在粒子物理的應(yīng)用，它在其他領(lǐng)域應(yīng)用前景也是非常光明的，其中包括航天與航空的輻照探測(cè)，同步輻射成像應(yīng)用，醫(yī)學(xué)輻射成像的應(yīng)用（如正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描，質(zhì)子治癌中質(zhì)子CT腫瘤成像等應(yīng)用）。其中，使用該技術(shù)的輕便型質(zhì)子CT腫瘤成像的初步樣機(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(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?！绷褐揪f。