美国堪萨斯大学获能源部资助 为CERN大型强子对撞机构建新一代探测器

美国堪萨斯大学牵头的一项粒子探测器研发项目近日获得美国能源部“促进竞争性研究的既定计划”(DOE EPSCoR)资助。该项目资助金额为100万美元，将用于为欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机(LHC)上的紧凑型μ子螺线管实验(CMS)设计和建造两台高亮度零度量能器(HL-ZDC)。

该项目周期为四年，由堪萨斯大学物理与天文系教授迈克尔·默里和堪萨斯大学杰出教授克里斯托夫·罗永共同领导。其中，默里同时担任CMS高亮度零度量能器升级项目负责人。堪萨斯大学博士后研究员乔治·克林蒂拉斯将参与探测器数据重建软件开发。

根据计划，两台HL-ZDC探测器将在堪萨斯大学机械原型实验室制造和组装，随后运往费米国家加速器实验室，利用高能粒子束进行测试。完成测试后，探测器将被运往欧洲核子研究中心，并集成到CMS量能器系统中，用于高亮度大型强子对撞机阶段的重离子物理研究。该阶段首次重离子数据采集目前计划于2030年中期开始。

HL-ZDC探测器和粒子束相互作用。图片由Georgios Krintiras提供

零度量能器安装在CMS粒子束线两侧，主要用于探测沿束线方向逸出的高能中子和光子。通过这些测量数据，物理学家可以重建碰撞类型。例如在铅核碰撞中，向前运动中子的数量和分布模式可帮助判断原子核是近乎正面碰撞，还是发生擦碰式相互作用。这类信息对于研究夸克—胶子等离子体具有重要意义。夸克—胶子等离子体是一种极高温物质状态，被认为曾在宇宙诞生后最初的几百万分之一秒内存在。同时，这些数据也有助于识别超外围碰撞，即原子核通过强电磁场发生相互作用的过程。

堪萨斯大学粒子物理实验室此前曾建造CMS实验使用的传统零度量能器，并在大型强子对撞机前三个运行阶段支持重离子研究。随着高亮度大型强子对撞机阶段到来，实验环境将更加严苛：辐射水平更高、碰撞间隔更短、探测器可用空间更小。因此，新一代HL-ZDC需要具备更窄结构、更快响应速度和更强抗辐射能力。

项目团队表示，此次资助还将为堪萨斯大学学生提供从探测器制造、束流测试到模拟分析和软件开发的全流程科研训练。学生和研究人员将与费米实验室专家合作，并通过费米实验室大型强子对撞机物理中心接受相关培训，为未来高亮度大型强子对撞机运行后的数据采集和分析工作做准备。该项目也将进一步加强堪萨斯大学与费米实验室在核物理和粒子物理探测器技术方面的合作。