未來高能環(huán)形正負電子對撞機(cepc)量能器團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，中國科學家率先提出環(huán)形正負電子對撞機(cepc)國際大科學計劃。提議在本土建造下一代高能量正負電子對撞機作為希格斯工廠，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)不對稱等重大科學問題。cepc團隊開展了探測器關鍵技術研發(fā)并取得了一系列重大進展。

基于粒子流算法的高顆粒度量能器系統(tǒng)是其中的關鍵探測器之一。cepc團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樣機和國內(nèi)首個高顆粒度強子量能器技術樣機。

由中國科學院高能物理研究所、中國科學技術大學、上海交通大學、李政道研究所等單位組成的cepc量能器預研團隊，在2023年4月至5月期間，團隊先后在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。中國科學院高能物理研究所劉勇青年研究員與中國科學技術大學張云龍?zhí)厝谓淌诠餐瑩问鳒y試團隊的技術協(xié)調(diào)人，并與中國科學技術大學沈仲弢副教授、日本信州大學竹下徹教授協(xié)同執(zhí)行取數(shù)計劃，保障團隊成功完成各項測試任務。

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鍵性能進行了系統(tǒng)性測試。相比2022年10-11月期間進行的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鍵的實驗數(shù)據(jù)。中國科學技術大學教授、cepc探測器共同負責人劉建北介紹：“高能粒子束流測試，表明量能器樣機性能好于設計指標，已達到國際先進水平。”上海交通大學教授、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基礎。”

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方案——基于閃爍晶體的全吸收型電磁量能器、閃爍玻璃強子量能器。相比已有 的高粒度量能器樣機的取樣型結(jié)構(gòu)，新方案預期在能量分辨和低能量粒子的靈敏度等關鍵性能將有顯著提升。圍繞新方案，量能器團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cepc量能器團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計和模擬的可靠性，實驗數(shù)據(jù)將是后續(xù)優(yōu)化設計的重要依據(jù)。

中國科學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施，本次束流實驗為未來cepc實驗提供了堅實基礎。”

cepc量能器樣機的研制、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裝置前沿研究國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金重點項目、國際合作與交流項目、中國科學院人才計劃、科學家工作室、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。