《大型强子对撞机“超快摄影”技术》

• 来源专题：重大科技基础设施领域知识集成服务平台
• 编译者： 魏韧
• 发布时间：2020-09-14
• 原文来源：https://www.symmetrymagazine.org/article/flash-photography-at-the-lhc

大型强子对撞机全速运转时，每25纳秒就有大约1000亿个质子束穿过彼此的轨道，2纳秒内大约50个质子发生碰撞并产生新的粒子。弄清楚哪个粒子来自哪次碰撞可能是一项艰巨的任务。
在ATLAS和CMS实验中，通常会测量粒子的电荷、能量和动量，尝试推断出它是在哪里产生的。虽然纳秒量级计时测量足以将粒子分配到正确的束团碰撞中，但不足以解析同一束团内的单个碰撞。
参与CMS实验的物理学家正在设计新型探测器，为通过的粒子创建更精确的时间戳。探测器将把2纳秒内的粒子碰撞分离成几个连续的快照，类似于一秒钟拍摄300亿张照片。这将帮助物理学家分辨哪个粒子轨迹来自哪次碰撞。计划中大型强子对撞机强度的升级将使每个束交叉的碰撞次数增加4倍，也会使这一挑战变得更加艰巨。
目前，物理学家通过观察碰撞在光束线上的位置来判断，新的定时探测器将在此基础上增加另一个维度：确定不同碰撞发生的时间，有效地将单个束团交叉分成多个‘帧’。精确的时间戳也将帮助物理学家寻找过去可能错过的较重且移动缓慢的粒子。
CMS内部的新型定时探测器将由一个5米长的圆柱形筒组成，包含16万个独立的闪烁晶体，每个晶体的长宽大约相当于一根火柴，在水晶桶的开口端盖上装有精细分层的辐射硅传感器磁盘。这个直径约2米的水晶桶将包围距离碰撞点最近的CMS追踪系统内部探测器。研究团队目前正在研究水晶桶两端的各种传感器和电子设备该如何协调，以便在30到50皮秒内给出时间戳。
可以利用这些信号的上升斜率，在空间上和时间上分离碰撞。在探测器的水晶桶中，穿过晶体的粒子会释放出一束强烈闪光，被专门的电子设备记录下来。根据强烈闪光到达每个传感器的时间，物理学家能够计算出粒子的确切位置和它通过的时间。粒子还会在端盖中产生快速脉冲。端盖由新型的硅传感器制成，可以放大信号。每个硅传感器大约有多米诺骨牌那么大，将粒子的位置确定在1.3毫米之内。科学家们计划在2027年将所有部件准备好并安装在CMS内部，启动高亮度大型强子对撞机。