未來高能環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)(cepc)量能器團(tuán)隊先后在歐洲核子中心(cern)、德國同步回旋加速器實驗室(desy)成功完成2023年度的高粒度量能器束流測試。

2012年9月，中國科學(xué)家率先提出環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)(cepc)國際大科學(xué)計劃。提議在本土建造下一代高能量正負(fù)電子對撞機(jī)作為希格斯工廠，同時還可以作為z和w玻色子工廠;以希格斯玻色子作為探針，深入研究電弱對稱性的自發(fā)破缺機(jī)制和質(zhì)量起源，探索暗物質(zhì)、宇宙早期演化電弱相變、宇宙中正反物質(zhì)不對稱等重大科學(xué)問題。cepc團(tuán)隊開展了探測器關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)并取得了一系列重大進(jìn)展。

基于粒子流算法的高顆粒度量能器系統(tǒng)是其中的關(guān)鍵探測器之一。cepc團(tuán)隊研制出國際上首臺基于閃爍體和硅光電倍增管(sipm)的高顆粒度電磁量能器技術(shù)樣機(jī)和國內(nèi)首個高顆粒度強(qiáng)子量能器技術(shù)樣機(jī)。

由中國科學(xué)院高能物理研究所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、上海交通大學(xué)、李政道研究所等單位組成的cepc量能器預(yù)研團(tuán)隊，在2023年4月至5月期間，團(tuán)隊先后在cern超級質(zhì)子同步加速器(sps)和質(zhì)子同步加速器(ps)上的粒子束流線開展了測試。中國科學(xué)院高能物理研究所劉勇青年研究員與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張云龍?zhí)厝谓淌诠餐瑩?dān)任束流測試團(tuán)隊的技術(shù)協(xié)調(diào)人，并與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)沈仲弢副教授、日本信州大學(xué)竹下徹教授協(xié)同執(zhí)行取數(shù)計劃，保障團(tuán)隊成功完成各項測試任務(wù)。

本次束流實驗覆蓋了cepc實驗所要求的粒子能量區(qū)間，共獲取超過4000萬高能粒子事例，針對量能器樣機(jī)的能量線性、能量分辨、三維成像能力、簇射隨時間的演化等關(guān)鍵性能進(jìn)行了系統(tǒng)性測試。相比2022年10-11月期間進(jìn)行的cern sps束流測試，本次測試中束流粒子純度得到了顯著改善，覆蓋了更大的粒子能量區(qū)間，為深入研究高粒度量能器性能和粒子流算法積累了關(guān)鍵的實驗數(shù)據(jù)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、cepc探測器共同負(fù)責(zé)人劉建北介紹：“高能粒子束流測試，表明量能器樣機(jī)性能好于設(shè)計指標(biāo)，已達(dá)到國際先進(jìn)水平。”上海交通大學(xué)教授、cepc項目副經(jīng)理楊海軍表示：“這是一項極具挑戰(zhàn)性的研究，為未來cepc量能器研制奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。”

同時cepc量能器工作組提出了兩種全新的高粒度量能器技術(shù)方案——基于閃爍晶體的全吸收型電磁量能器、閃爍玻璃強(qiáng)子量能器。相比已有 的高粒度量能器樣機(jī)的取樣型結(jié)構(gòu)，新方案預(yù)期在能量分辨和低能量粒子的靈敏度等關(guān)鍵性能將有顯著提升。圍繞新方案，量能器團(tuán)隊研制了晶體量能器小型模塊;由新型大面積閃爍玻璃研制合作組(簡稱：閃爍玻璃合作組，主要由國內(nèi)十家單位組成)研制出高密度、高光產(chǎn)額的閃爍玻璃樣品。隨后在2023年10月期間，劉勇青年研究員帶領(lǐng)cepc量能器團(tuán)隊在德國電子同步輻射加速器(desy)，利用高能電子束流，成功完成晶體量能器模塊、閃爍玻璃樣品的關(guān)鍵性能測試，包括晶體量能器的能量分辨、時間分辨以及閃爍玻璃的光產(chǎn)額;同時基于晶體的探測單元，成功完成了國產(chǎn)高精度32通道sipm讀出芯片(mpt2321)的性能標(biāo)定，包括單光子刻度以及大動態(tài)范圍等核心參數(shù)。desy束流實驗結(jié)果驗證了量能器新方案設(shè)計和模擬的可靠性，實驗數(shù)據(jù)將是后續(xù)優(yōu)化設(shè)計的重要依據(jù)。

中國科學(xué)院高能物理研究所研究員、cepc項目經(jīng)理婁辛丑表示：“目前國內(nèi)尚不具備所需的束流實驗條件，量能器測試用到了世界上最好的束流設(shè)施，本次束流實驗為未來cepc實驗提供了堅實基礎(chǔ)。”

cepc量能器樣機(jī)的研制、新型量能器單元和模塊的研制以及束流測試，獲得了科技部大科學(xué)裝置前沿研究國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金重點項目、國際合作與交流項目、中國科學(xué)院人才計劃、科學(xué)家工作室、粒子物理前沿卓越創(chuàng)新中心、核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室、粒子天體物理和宇宙線教育部重點實驗室、上海市粒子物理和宇宙學(xué)重點實驗室的資助和支持。2023年度的束流實驗得到了歐洲實驗室以及calice國際合作組的大力支持和配合。