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拍出质子对撞高清“视频”,高时间分辨探测器

科技日报记者近日从中国atlas组获悉,大型强子对撞机(lhc)上的超环面仪器(atlas)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,是现在世界上大、能量高的粒子加速器。
atlas探测器目前不够快
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*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。
“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。
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。
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