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【科研进展】环形正负电子对撞机高颗粒度量能器样机在CERN成功进行束流实验

发布时间:2022-12-02 浏览量:152

2022年10月19日-11月2日,中外科学家运行环形正负电子对撞机(CEPC)高颗粒度电磁量能器和强子量能器样机,在欧洲核子研究中心(CERN)超级质子同步加速器(SPS)的 H8束流线上进行了为期两周的高能粒子束流测试实验。CEPC量能器样机研制获得了科技部大科学装置前沿研究国家重点研发计划和国家自然科学基金委的大力资助,量能器样机研制的主要承担单位包括中国科学院高能物理研究所、中国科学技术大学和上海交通大学等单位。

2012年7月,CERN大型强子对撞机的ATLAS和CMS实验上同时发现了希格斯玻色子,揭示了基本粒子质量起源之谜,是粒子物理研究的重要里程碑。同年9月,中国科学家率先提出了CEPC国际大科学计划,提议在本土建造高能环形正负电子对撞机CEPC作为希格斯玻工厂,同时还可以作为Z和W玻色子工厂(如图一所示)。以希格斯玻色子作为探针,通过超高精度测量深入研究电弱对称性自发破缺机制和质量起源等基本问题,探索暗物质、宇宙早期演化电弱相变、宇宙中正反物质不对称等重大科学问题 [1]。CEPC团队开展了设计和关键技术研发并取得了一系列的重大进展。


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图一:CEPC环形正负电子对撞机示意图


为了提高粒子探测效率和物理潜力,CEPC需要设计极高性能的探测器。考虑到希格斯、Z和W玻色子的主要衰变产物为强子末态,量能器的能量分辨性能极其关键。根据物理需求,CEPC量能器的喷注能量分辨率需要达到30%/√(E(GeV)),比LEP和LHC等实验量能器的性能要提高一倍左右,是极具挑战性的性能指标。CEPC探测器基准方案采用了国际量能器合作组(CALICE)提出的基于粒子流算法(PFA)的技术路线, 这是面向未来高颗粒度量能器探测技术的重要发展方向[2]。

CEPC量能器样机设计基于塑料闪烁体和硅光电倍增管读出,具有超高的颗粒度,能够对高能粒子的簇射进行四维成像(X,Y,Z,E),同时兼顾时间测量等功能。CEPC电磁量能器样机(ScW-ECAL)灵敏层尺寸为21×21cm2, 共32层灵敏层组成,共计6720个电子学读出通道,灵敏单元有效颗粒度为5×5mm2。宇宙线测试结果表明量能器各层的位置分辨率好于2mm。CEPC电磁量能器样机(如图二所示)是国际上首台基于塑料闪烁体和硅光电倍增管方案的技术样机[3]。

强子量能器样机(AHCAL,如图二所示)的灵敏单元颗粒度为4×4cm2塑料闪烁体,由硅光电倍增管进行读出,样机共有40层灵敏层(尺寸为72×72cm2),共计12960个电子学读出通道。样机采用了两种硅光电倍增管,包括日本滨松(S14160-1315P) 和北京师范大学研制的国产器件(NDL-22-1313-15S)。样机研制过程中团队采用注塑成型技术、设计和制作了塑料闪烁体反射膜自动包装机、塑料闪烁体批量测试平台和硅光电倍增管批量测试平台等[4]。“SiPM-on-Tile”的HBU设计显著提升了组件自动包装集成,可扩展性强。


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图二:电磁量能器和强子量能器样机在CERN束流现场安装过程


利用CERN SPS H8束流线提供的10~120 GeV的电子和强子,160 GeV的缪子,本次束流测试针对CEPC电磁量能器和强子量能器两个样机的能量线性、能量分辨等关键指标进行了系统性测试。参与CERN束流测试的人员和探测器见图三所示。

束流实验期间共获取超过2500万高能粒子事例,其中典型的电子、缪子和强子在量能器中簇射事例显示参见图四所示。这些高能粒子事例将为后续详细开展粒子流量能器样机性能的研究提供了重要实验数据。

通过样机研制,团队掌握了基于粒子流算法的高颗粒度量能器关键技术,包括闪烁体灵敏单元的批量制作和测试技术、灵敏层模块化组装技术、嵌入式前端读出电子学集成、大规模SiPM监测和刻度、散热模拟和监测技术、以及量能器系统集成等技术。高能物理研究所研究员,CEPC项目主任娄辛丑指出该样机是国内首次研制的粒子流量能器,达到国际先进水平。本次束流实验成功为未来CEPC实验准备了技术基础,为将来大规模批量研制积累了宝贵的经验并奠定了坚实的基础。


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图三:束流测试人员和探测器,来自中国科学院高能物理研究所、中国科学技术大学、上海交通大学、日本东京大学、日本信州大学及以色列威茨曼科学研究所共23位师生参加了本次束流测试。


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图四:左起——中国科学技术大学沈仲弢副教授,高能物理研究所刘勇青年研究员,上海交通大学杨海军教授,高能物理研究所Joao da Costa研究员,中国科学技术大学张云龙特任教授。


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图五:高能粒子在强子量能器中的簇射图像10 GeV电子(上)

两个160GeV的缪子(中)和120 GeV pion(下)


上海交通大学物理与天文学院和李政道研究所的杨海军教授担任CEPC项目副主任(Deputy Project Director),科技部国家重点研发计划“环形正负电子对撞机关键技术预研究”项目“探测器关键技术预研”课题负责人,主持国家自然科学基金委国际合作与交流(NSFC-ISF)“面向未来粒子物理实验并基于粒子流算法的量能器预研”项目,并全程参与CEPC量能器样机在CERN的束流实验。李政道研究所李政道学者李数、博士后段艳云(已出站)和Francois Lagarde是项目的骨干成员,研究生王震和宋思远等深度参与了强子量能器样机研制和CERN束流实验。上海交通大学团队主要负责强子量能器样机塑料闪烁体和硅光电倍增管的性能测试、样机散热模拟和事例图形展示等,参与样机组装和联调,束流实验和现场数据分析等。

非常感谢科技部国家重点研发计划和国家自然科学基金委的大力资助。CERN束流测试区管理层和技术专家、运输及辐射防护团队、CALICE量能器国际合作组负责人,在此次束流实验期间提供了大量支持和宝贵建议,在此深表感谢!


参考文献

[1] CEPC Conceptual Design Report: Volume 2 - Physics & Detector (arXiv:1811.10545), http://cepc.ihep.ac.cn/

[2] CALICE Collaboration, https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/CALICE

[3] JINST 13 (2018) P03010, JINST 13 (2018) C03024, RDTM (2018) 2:22, JINST 15 (2020) C10008, JINST 15 (2020) C05036, IEEE Trans. on Nucl. Sci., 66(7), pp.1107-1114 (2019)

[4] NIMA 980 (2020) 164481, JINST 16 (2021) P03001, JINST 17 (2022) P05006




图文编辑:胡泽心

责任编辑:叶丹、朱敏