梁志均：把“照相机”变成“摄影机”——在大型强子对撞机上如何研制高时间分辨探测器？

□文｜王霞

大型强子对撞机上的ATLAS国际实验组最近发布了高颗粒度高时间分辨探测器（HGTD）的初步设计方案，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，上海交通大学等单位参与HGTD探测器的预研发。

位于瑞士的大型强子对撞机把将两束质子分别加速到14万亿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。

记者了解到，ATLAS实验是一个有6层楼高大型探测器，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，并从“照片”中寻找标准模型预言的“上帝”粒子﹑探索暗物质﹑超对称粒子等新物理。

然而，目前的ATLAS探测器还不够快，的“照片“中并没有粒子的飞行时间的信息。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，ATLAS探测器的“照片“上的位置信息将不够用，难以区分每个粒子径迹从哪个对撞点来的，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关键作用。

中国科学院高能物理研究所副研究员梁志均介绍，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“，这将对未来对撞机物理有很大的推动作用，将解决在高亮度对撞的复杂环境中精确测量“上帝”粒子的关键科学问题。

据悉，梁志均回国前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，在传感器模拟与测试方面做了很多研究。

“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。

梁志均在回国后，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。

据了解，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）读出芯片技术，与数平方米级的大面积超快探测器组装技术等。中国ATLAS组的单位均积极参加研发，有望在未来的HGTD探测器的研制中发挥主导作用。

“HGTD探测器的技术除了在粒子物理的应用，它在其他领域应用前景也是非常光明的，其中包括航天与航空的辐照探测，同步辐射成像应用，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肿瘤成像的初步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。