科學家在飛機上運輸粒子探測器，你敢坐嗎？

2020-10-18 博科園

你可能在飛機上看到過有寵物甚至樂器陪伴飛機乘客，但是你曾坐在粒子探測器旁邊嗎？一年多來，美國能源部Lawrence Berkeley國家實驗室(Berkeley Lab)的一個小團隊一直在組裝、測試和運輸探測器部件，以升級歐洲CERN實驗室的Alice(大型離子對撞機實驗)探測器陣列。探測器面板作為「乘客」乘坐。伯克利實驗室團隊的解決方案是：確保這些精心組裝的精緻部件從A點到B點完好無損：將它們作為旅伴對待。愛麗絲是一項核物理實驗，旨在將高能鉛離子彼此碰撞。

並與質子碰撞，以探索被稱為夸克膠子等離子體的超熱物質的奇特狀態，這種狀態被認為存在於早期宇宙中。Berkeley Lab是全球五個為升級項目建造探測器面板(稱為「staves」)的地點之一，這將提高Alice探測器內部跟蹤系統的性能，包括拍攝粒子碰撞快照的解析度、耐久性和數據收集速度。伯克利實驗室的核物理研究人員輪流在一個配有肩帶定製透明容器中輪流運輸四個長探測器隔板。裝貨時，這個一米長的貨櫃重約25磅。擱板堆疊有矽晶片和相關電路和功率元件的序列。

伯克利實驗室團隊負責的每個隔板有8個傳感器模塊，每個模塊配備14個傳感器，每個隔板總共112個傳感器。伯克利實驗室(Berkeley Lab)核科學部的科學家利奧·格雷納(Leo Greiner)說：我們最終為他們購買了商業航班的座位，因為沒有其他可靠的方法讓他們到達那裡，格裡納領導的團隊致力於愛麗絲探測器升級組件。該團隊使用了探測器模塊的機械模型，以了解它們在飛機貨艙中的支撐情況，但表現並不好：這些部件明顯受損，有些部件斷裂了，很明顯，運輸不可能像我們最初設想的那樣發生。

因此，研究了在機艙內獲得吊杆的最佳方法：一個更受保護的環境。為音階購買座位的規則與音樂家想要手工攜帶到飛機上昂貴樂器的規則相似。伯克利實驗室製造的透明手提箱是為方便機場安全檢查而設計，機場X光掃描不是問題，因為探測器組件的設計可以承受更強輻射。一旦登上飛機，研究人員要求延長安全帶，以安全地將手提箱扣到相鄰的座位上。通常路線是從舊金山灣區飛往紐瓦克或華盛頓特區，然後轉乘飛往瑞士日內瓦的國際航班。往返行程通常包括兩天的旅行和兩天CERN檢查組件是否有任何損壞。

伯克利實驗室團隊成員在過去一年中完成了大約14次這樣的旅行，最後一次旅行計劃在今年10月中旬。科學推廣變得容易，這種不尋常的隨身攜帶是一個很好的談話開端。尼基·阿帕杜拉(Nikki Apadula)是核科學部的項目科學家，也是愛麗絲團隊的成員，他參加了探測器的短途旅行並表示說：我花了一整趟去紐瓦克的旅程，用座椅的後背來解釋粒子在探測器中的作用。高大的旅行貨櫃有時會很麻煩，事實上，這些東西有一米多長，只是很尷尬，它幾乎和人一樣高，伯克利實驗室愛麗絲探測器升級團隊的其他成員。

組裝冷卻壁

伯克利實驗室團隊正在為愛麗絲升級外筒探測器的中間層貢獻60個探測器隔板，這是美國實驗室做出的最大貢獻。完成的探測器將有七個同心層，這些同心層將容納總共24000個用於檢測粒子相互作用的矽傳感器。它計劃於2020年3月安裝，並將於2021年初投入使用。伯克利實驗室的探測器組裝是在專門建造塑料牆潔淨室環境中進行。研究人員仔細測量並將八個探測器模塊粘在每個冷卻壁上，精度通常以幾十微米或百萬分之一米測量。

冷卻壁具有能讓冷水沿其長度循環並防止過熱的管子，所有材料（包括附著探測器模塊的膠水）都必須經過測試，以確保它們能夠經受住探測器環境。每個冷卻壁都具有沿其長度方向的楔形碳纖維支撐，以及鋁電子組件而不是銅，以提供更好的跟蹤解析度，以捕獲粒子相互作用，同時抵禦粒子碰撞產生的輻射障礙物。在該項目的早期階段，Berkeley Lab團隊在Berkeley Lab的88英寸回旋加速器中使用了強大帶電粒子束來測試探測器材料的耐久性。

下一代探測器設計

升級中的探測器基於單片像素探測器技術，這種類型的早期探測器用於布魯克海文國家實驗室相對論重離子對撞機(RHIC)的STAR(RHIC螺線管跟蹤器)探測器。Berkeley Lab在這種類型的探測器方面具有特殊的專業知識，並為早期的研發做出了貢獻。Alice升級檢測器設計為更長的壽命，處理信號的速度比早期檢測器快約10倍，並且具有約30微米的單個像素大小。改進後的解析度將使研究人員能夠更好地區分在初始鉛核碰撞中產生的粒子。

博科園｜研究/來自：勞倫斯伯克利國家實驗室

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