未來高能環(huán)形正負(fù)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(xué)家率先提出環(huán)形正負(fù)電子對撞機(CEPC)國際大科學(xué)計劃。提議在本土建造下一代高能量正負(fù)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(xué)問題。CEPC團隊開展了探測器關(guān)鍵技術(shù)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(guān)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(shù)樣機和國內(nèi)首個高顆粒度強子量能器技術(shù)樣機。
由中國科學(xué)院高能物理研究所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、上海交通大學(xué)、李政道研究所等單位組成的CEPC量能器預(yù)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(xué)院高能物理研究所劉勇青年研究員與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張云龍?zhí)厝谓淌诠餐瑩?dān)任束流測試團隊的技術(shù)協(xié)調(diào)人，并與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)沈仲弢副教授、日本信州大學(xué)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(wù)。
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(guān)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(guān)鍵的實驗數(shù)據(jù)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、CEPC探測器共同負(fù)責(zé)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(shè)計指標(biāo)，已達到國際先進水平。”上海交通大學(xué)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(shù)基礎(chǔ)?！?/span>
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(shù)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(yù)期在能量分辨和低能量粒子的靈敏度等關(guān)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(lǐng)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(guān)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(biāo)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(shè)計和模擬的可靠性，實驗數(shù)據(jù)將是后續(xù)優(yōu)化設(shè)計的重要依據(jù)。
中國科學(xué)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(shè)施，本次束流實驗為未來CEPC實驗提供了堅實基礎(chǔ)。”
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(xué)裝置前沿研究國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金重點項目、國際合作與交流項目、中國科學(xué)院人才計劃、科學(xué)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(xué)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(xué)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。
圖 1CEPC量能器束流測試團隊在CERN SPS-H2束流線與樣機合影
圖 2CEPC量能器束流測試團隊在CERN PS-T09束流線與量能器樣機合影
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