未來高能環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）量能器團(tuán)隊(duì)先后在歐洲核子中心（CERN）、德國(guó)同步回旋加速器實(shí)驗(yàn)室(DESY)成功完成2023年度的高粒度量能器束流測(cè)試。
2012年9月，中國(guó)科學(xué)家率先提出環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(CEPC)國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃。提議在本土建造下一代高能量正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)作為希格斯工廠，同時(shí)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(duì)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(duì)稱等重大科學(xué)問題。CEPC團(tuán)隊(duì)開展了探測(cè)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(cè)器之一。CEPC團(tuán)隊(duì)研制出國(guó)際上首臺(tái)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(guó)內(nèi)首個(gè)高顆粒度強(qiáng)子量能器技術(shù)樣機(jī)。
由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所、中國(guó)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(duì)，在2023年4月至5月期間，團(tuán)隊(duì)先后在CERN超級(jí)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(cè)試。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所劉勇青年研究員與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)張?jiān)讫執(zhí)厝谓淌诠餐瑩?dān)任束流測(cè)試團(tuán)隊(duì)的技術(shù)協(xié)調(diào)人，并與中國(guó)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(jì)劃，保障團(tuán)隊(duì)成功完成各項(xiàng)測(cè)試任務(wù)。
本次束流實(shí)驗(yàn)覆蓋了CEPC實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)間的演化等關(guān)鍵性能進(jìn)行了系統(tǒng)性測(cè)試。相比2022年10-11月期間進(jìn)行的CERN SPS束流測(cè)試，本次測(cè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、CEPC探測(cè)器共同負(fù)責(zé)人劉建北介紹：“高能粒子束流測(cè)試，表明量能器樣機(jī)性能好于設(shè)計(jì)指標(biāo)，已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平?！鄙虾＝煌ù髮W(xué)教授、CEPC項(xiàng)目副經(jīng)理?xiàng)詈＼姳硎荆骸斑@是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的研究，為未來CEPC量能器研制奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。”
同時(shí)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(duì)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(jiǎn)稱：閃爍玻璃合作組，主要由國(guó)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(duì)在德國(guó)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(cè)試，包括晶體量能器的能量分辨、時(shí)間分辨以及閃爍玻璃的光產(chǎn)額；同時(shí)基于晶體的探測(cè)單元，成功完成了國(guó)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(dòng)態(tài)范圍等核心參數(shù)。DESY束流實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了量能器新方案設(shè)計(jì)和模擬的可靠性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將是后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。
中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員、CEPC項(xiàng)目經(jīng)理婁辛丑表示：“目前國(guó)內(nèi)尚不具備所需的束流實(shí)驗(yàn)條件，量能器測(cè)試用到了世界上最好的束流設(shè)施，本次束流實(shí)驗(yàn)為未來CEPC實(shí)驗(yàn)提供了堅(jiān)實(shí)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(cè)試，獲得了科技部大科學(xué)裝置前沿研究國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)際合作與交流項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院人才計(jì)劃、科學(xué)家工作室、粒子物理前沿卓越創(chuàng)新中心、核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、粒子天體物理和宇宙線教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市粒子物理和宇宙學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助和支持。2023年度的束流實(shí)驗(yàn)得到了歐洲實(shí)驗(yàn)室以及CALICE國(guó)際合作組的大力支持和配合。
圖 1CEPC量能器束流測(cè)試團(tuán)隊(duì)在CERN SPS-H2束流線與樣機(jī)合影
圖 2CEPC量能器束流測(cè)試團(tuán)隊(duì)在CERN PS-T09束流線與量能器樣機(jī)合影
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