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研发探测器关键技术 助力高能物理学研究——中国科学院高能物理研究所梁志均研究员
2019-08-02
在粒子物理实验过程中，探测器发挥着举足轻重的作用。早在2006年，中国科学院高能物理研究所梁志均研究员就参与了欧洲大型强子对撞机（LHC）实验中的ATLAS实验，主要从事物理分析和探测器硬件研发的工作，其中，ATLAS是LHC中的四大探测器之一，主要进行粒子物理实验。投身粒子研究之后，梁志均博士凭借自己对物理浓厚的兴趣，多年来，在ATLAS电弱物理方面作出了重要的贡献。该领域最重要的研究方向为研究希格斯粒子（也被媒体称为“上帝粒子”）的性质。
希格斯粒子研究难点为信号强度小而本底多，其主要本底为双玻色子过程。 2011年，梁志均博士首次通过W/Zγ末态观测到双玻色子过程，该工作为ATLAS实验组在2012年希格斯粒子发现提供了重要的基础。他在该工作中作为主要责任人，首次在ATLAS实验上利用W/Zγ末态对W玻色子和Z玻色子的磁矩进行精确测量，在高能区观测到量子色动力学高级修正的影响，并提出用jet veto的新方法降低了理论高阶修正的系统误差，大大降低了原有反常磁矩上限。
他曾在2012—2013年担任ATLAS实验的电弱作用组的召集人和LHC电弱作用双玻色子组的召集人，领导了电弱作用组首次在实验上证实了Z玻色子的矢量玻色子融合（VBF）的产生机制。VBF过程对电弱作用对称性破缺与希格斯机制是非常重要。但VBF过程产生截面很小，有很多QCD过程的本底，过去从来没有观察到。他领导ATLAS电弱物理组精确地测量本底的谱型，降低了QCD过程的不确定度，从而得到高于5σ的信号强度。该工作为研究希格斯玻色子的VBF产生机制奠定坚实基础。他还作为电弱作用组的召集人在ATLAS试验中首先提出用W伴随双光子的末态观察三玻色子的产生过程，在ATLAS实验中首次观察到三玻色子产生的迹象。
梁志均博士2016年回国后致力于寻找希格斯粒子的最主要衰变道。当时希格斯粒子的双玻色子衰变过程已经被实验证实，但是它的最主要的衰变过程还是尚未被实验数据确认。为了提高信号显著度，梁志均博士在VBF过程的分析中首次提出引入高能光子的技术路线，有效压低了其主要的背景过程，并把VBF过程分析的灵敏度提高了一倍。该研究方案得到国家自然科学基金面上项目的支持，评委一致认为该方案有很强的原创性。利用该方案，梁博士在2018年中ATLAS实验首次发现Higgs玻色子主要衰变过程的成果中作出主要贡献，该成果被美国物理协会APS评为2018年度十大亮点。ATLAS实验的分析由三个研究小组共同完成，梁博士作为其中一组的负责人，主导在矢量玻色子融合过程中寻找的研究。
除物理分析外，梁志均在ATLAS探测器研发中还作出了重要贡献。
由于探测器运行过程有各种偶发状况（如冷却系统开关工程，打开或关闭超导磁场）会改变硅微条探测器的位置，为了达到微米级的径迹探测精度，梁志均博士曾负责调试运行ATLAS实验的硅微条径迹探测器的激光位置校准系统，并用激光干涉仪对硅微条径迹探测器提供了了实时的位置检测。LHC每个束团间距只有50 ns，探测器的数据读出时间校准要精确到5 ns左右。梁博士自行设计原位校准的方法，成功把ATLAS硅微条探测器4 000多个module的读出时间同步到2 ns。此外，他还负责测试传统型的n-on-p 硅微条传感器的抗辐照性能，包括不同强度辐照过后的漏电流，微条或是像素之间的串扰，电荷收集效率，内置放大器的增益与噪声等变化，为传感器设计提供了很多重要的反馈，对ATLAS硅探测器Phase-II升级作出重要贡献。
由于近年来，CMOS图像传感器技术的研究有重要进展并广泛应用在相机与手机摄像头中。未来10～20年高能硅探测器，特别是下一代的高能环形对撞机（CEPC）的探测器，采用该技术的概率很高。基于CMOS技术的硅像素探测器具有价格便宜，高空间分辨率，可以实现传感器与读出芯片的单片集成，是未来高能物理对撞机顶点探测器的热门候选技术。该技术的缺点是电荷收集量少，必须在传感器中集成内置放大器以改善信噪比。梁博士曾在美国加州大学圣塔克鲁斯分校参与设计与测试出CMOS传感器的内置放大器，作为通信作者发表多篇CMOS传感器抗辐照机制研究的论文。梁博士对CMOS传感器的抗辐照机制深入研究，确定主导的辐照损伤机制，半定量的分析出在不同辐照水平下CMOS传感器电荷收集效率，从而对CMOS传感器的设计起关键性指导作用。2018年，梁博士作为核心骨干参与国家重点研发项目“高能环形正负电子对撞机关键技术验证”，负责该项目的“高精度硅径迹探测器”课题中硅径迹探测器模块与原型机整体设计，协调课题组中电子学团队与机械设计团队的研制工作，以研制出基于CMOS传感器技术的高精度径迹探测器原型机。项目组于未来几年计划研制出国际先进的高精度径迹探测器，并能承受1Mrad以上的电离辐照）。该项目的成果未来有望应用于国内对撞机实验、同步辐射成像以及在医疗成像等领域。
