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粒子探测器的发展前景
2010-04-16 | 浏览次数:|【

随着加速器能量的增长,产生的粒子数目越来越,随着粒子物理研究的发展,需要测量粒子的参数越来越多,单个探测器已经无法满足这些需要。20 世纪60年代末,固定靶实验和对撞机实验相继出现了由多种探测器组成的大型磁谱仪。大型磁谱仪可以同时测量粒子的多种性能(如电荷、质量、自旋、宇称、衰变宽度/寿命等);可测量粒子的多种运动学参量(如能量、动量、速度等);具有较好的粒子分辨本领。大型磁谱仪一般由顶点探测器、中心径迹室、飞行时间计数器、切仑科夫计数器、穿越辐射探测器、电磁量能器、强子量能器、μ子计数器、亮度监测器、常规及超导磁铁等子探测器构成。 

粒子探测器的电子学及数据获取方面也有了很大发展,以适应更高能量的更复杂的事例测量,如高精度的位置和能量分辨、快时间响应的探测器;高集成度、快响应电子学;快速大规模数据处理系统。在探测器方面出现了新型探测器如闪烁光纤、自猝灭流光管、阻性板探测器、时间投影室、平行板雪崩室、硅微条探测器、微条气体室等。先后出现了智能和集成度高的VME总线和快总线(FASTBUS),专用集成电路器件(ASIC),硅条探测器同前级电子学组合在一起的集成系统,高速模拟-数字转换插件(Flash ADC),无死时间的时间-数字转换(TDC)电路,大群微处理器组成的前级信号采集处理系统,流水线及在线事例过滤机群FARM,智能触发逻辑系统以及10-10秒快时间响应电路等。 

大型磁谱仪自诞生那一天起,在粒子物理探测方面就显示出综合性能的优势,且规模越来越大,精度越来越高,三十年来做出了许多重要的高能物理实验成果。如:一些重要粒子的发现(J/ψ、Y、W±、Z?和顶夸克等),电弱统一模型的精确测定以及量子色动力学(QCD)模型的检验等。可以预言,新世纪中它的技术会得到进一步发展,以适应高能物理研究发展的需要。 

 
 LHC的探测器CMS
 
 LHC的探测器ATLAS

欧洲核子研究中心CERN于1989年建成的90-200 GeV正负电子对撞机 LEP 的周长为27公里。其上的四个大型实验装置的三维尺度大约都在15米左右,而对撞点周围的顶点探测器的位置精度达十微米左右。每个装置参加实验的科学家规模都达到500人左右。 

 CERN建造的新一代质子-质子对撞机LHC属于高能量加速器,其能量高达8~20 TeV/束,亮度约为1033~1034cm-2s-1。LHC有很高的多束团束流对撞频率(即束团周期小到25ns)和很大的P-P强作用截面(σ~100mb)。这些都对粒子探测技术提出了极具挑战性的的要求,LHC的探测器有以下特点: 

  • 具有足够快的时间响应以提供严格触发与避免事例堆积; 
  • 具有极高的空间分辨率、多徑迹分辨率与粒子识别能力;
  • 具有庞大的体积以便对大能量范围的粒子进行精密测量和有很强的磁场以便进行高动量测量。其典型的尺寸为直径15-20米,长20-40米,读出电子学道数以107~108计。数据获取率高达1011 字节/秒(Byte/s); 
  • 具有接受粒子的密封性,即探测器尽可能覆盖4π立体角; 
  • 具有极高的抗辐射能力。 

 
 PEPII的探测器BABAR

目前运行的几个粒子工厂如B粒子工厂属高亮度加速器,包括美国3.1-9 GeV 正负电子对撞机PEPII,日本3.5-8 GeV 正负电子对撞机KEKB它们的亮度都达L~1034cm-2s-1,比同能区一般对撞机的亮度高100倍以上。另外还有意大利的φ介子工厂DAФNE。对上述B工厂的探测器(如美国的BABAR与日本的BELLE)主要要求包括高计数率、高分辨率、高抗辐射强度等。  

 水切伦科夫计数器内部

在寻找新物理的大型非加速器物理(粒子天体物理)实验前沿方面,其探测器体积均在数千至数万吨之间,以高灵敏度、低本底与低噪声的特点探测低事例率的物理现象,如宇宙线或天体过程中的中微子、宇宙暗物质粒子等。测量精度也由较粗放转向精密。如日本Superkamiokande 实验用了5 万吨水切伦科夫计数器。意大利Gran Sasso 实验室的MACRO 实验用了一千吨液体闪烁体,一万吨径迹探测器。设在该实验室的ICARUS 实验计划使用近万吨全新探测器-液氩时间投影室(LArTPC)。

(新葡萄娱乐在线网站科技处制作  资料来自“粒子探测器与数据获取”、三思、百科、人民教育出版社、战略家网站、中国辐射防护网、郑志鹏报告“大型磁谱仪概况”等)


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