CERN推出HL LHC高粒度量能器原型

在瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心（cern）园区内，蜜蜂正忙碌地构建着完美的六边形蜂巢，这种结构能以zui少材料容纳zui大蜜量。不远处，一支同样忙碌的科学团队正在组装另一种六边形“细胞”——这是为cms探测器新型量能器准备的“盒式”原型。这些扇形结构将构成未来高粒度量能器（hgcal）的核心部分，建成后将成为史上zui大的硅基探测器。

这套新量能器的两个端盖将安装在cms探测器的两端，替换现有设备，并计划于2030年随高亮度大型强子对撞机（hl-lhc）的启动正式投入运行。正如台湾大学物理学家dimitra tsionou所言，hgcal堪称“五维量能器”：它不仅具备三维空间重建能力，还能记录能量，并拥有卓越的时间分辨率。

面对hl-lhc带来的挑战，新量能器将应对粒子数量激增的考验。新对撞机产生的准同时碰撞次数将是当前的4至5倍，每秒可达4000万次，其中包含140至200次准同时碰撞。现有探测器已无法处理如此庞大的数据流，而hgcal将确保在更高辐射环境下仍能保持高精度探测与粒子识别能力。

粒子碰撞产生的次级粒子将在数百皮秒的时间间隔内抵达端盖，hgcal将测量每粒子的到达时间。为实现这一目标，探测器采用了“高粒度”设计，即极高的传感器密度。每个盒式单元覆盖47层传感器，记录能量、位置及粒子穿越时间。其中，靠近碰撞点的26层电磁部分将在cern组装，用于探测电子和光子；远离碰撞点的21层强子部分则在费米实验室（fermilab）组装，主要探测质子与中子。

整个端盖的有源传感器总面积约500平方米，相当于近两个网球场，包含超过300万个信号通道。台湾大学物理学家ludivine ceard表示，这是首次以如此规模应用该技术，且需在极端条件下运行。目前，首套钢制结构已在巴基斯坦制造，正在cern重新组装，未来将把电磁与强子部分结合，形成完整的hgcal端盖。

对于中国高能物理研究团队而言，hgcal的突破不仅展示了国际大科学工程在极端环境探测技术上的新高度，也为我国参与未来对撞机升级项目提供了宝贵的技术参考与协作机遇。