梁志均：把“照相機”變成“攝影機”
——在大型強子對撞機上如何研制高時間分辨探測器？

□文｜王霞

大型強子對撞機上的ATLAS國際實驗組最近發布了高顆粒度高時間分辨探測器（HGTD）的初步設計方案，中國ATLAS組的成員中科院高能物理研究所﹑中國科學技術大學﹑南京大學，上海交通大學等單位參與HGTD探測器的預研發。

位于瑞士的大型強子對撞機把將兩束質子分別加速到14萬億電子伏特的極高能量，并使之每隔25納秒對撞一次。每次對撞的能量狀態可與宇宙大爆炸后不久的狀態相比。

記者了解到，ATLAS實驗是一個有6層樓高大型探測器，它如一個高速照相機，每25納秒拍一張“照片“，記錄質子碰撞后的產物以供粒子物理學家研究，并從“照片”中尋找標準模型預言的“上帝”粒子﹑探索暗物質﹑超對稱粒子等新物理。

然而，目前的ATLAS探測器還不夠快，的“照片“中并沒有粒子的飛行時間的信息。在未來的大型強子對撞機中，亮度會越來越高，對撞后產生的次級粒子越來越多，ATLAS探測器的“照片“上的位置信息將不夠用，難以區分每個粒子徑跡從哪個對撞點來的，因此研制具有高時間與高空間分辨的探測器將在未來粒子物理研究中起關鍵作用。

中國科學院高能物理研究所副研究員梁志均介紹，本次ATLAS實驗高顆粒度高時間分辨探測器的設計方案，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一千倍以上，將可以把ATLAS探測器記錄每次質子對撞的“照片“變成一段上千幀的超清”視頻“，這將對未來對撞機物理有很大的推動作用，將解決在高亮度對撞的復雜環境中精確測量“上帝”粒子的關鍵科學問題。

據悉，梁志均回國前在加州大學圣克魯斯分校做博士后期間，與其合作導師Harmut Sadrozinski教授共同研發HGTD探測器的超快傳感器技術，在傳感器模擬與測試方面做了很多研究。

“該技術的硅傳感器采用類似硅雪崩光電二極管結構，工作在正比放大區，信噪比較高。通過修改PN結的設計，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。在近三年，該技術發展很快，其時間分辨率已經達到30皮秒，是一般的硅探測器的百倍以上。該技術也被ATLAS實驗用于研制高顆粒度高時間分辨探測器。”梁志均說。

梁志均在回國后，除了繼續參與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國產化，與國內的半導體研究單位與國內的半導體公司合作研發這種超快的傳感器技術，并利用國內的半導體加工生產線來流片。

據了解，除了高時間分辨的傳感器技術，ATLAS實驗HGTD項目組還在研發超快的時間數字化（TDC）讀出芯片技術，與數平方米級的大面積超快探測器組裝技術等。中國ATLAS組的單位均積極參加研發，有望在未來的HGTD探測器的研制中發揮主導作用。

“HGTD探測器的技術除了在粒子物理的應用，它在其他領域應用前景也是非常光明的，其中包括航天與航空的輻照探測，同步輻射成像應用，醫學輻射成像的應用（如正電子發射計算機斷層掃描，質子治癌中質子CT腫瘤成像等應用）。其中，使用該技術的輕便型質子CT腫瘤成像的初步樣機已經在美國研制成功，未來可在質子治癌的應用中發揮重要作用。另外，該技術的時間分辨率是目前醫用正電子發射計算機斷層掃描技術的10倍以上，在未來有望大幅度提高正電子發射計算機斷層掃描的圖像分辨率。”梁志均說。