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文丨梧桐呜

编辑丨梧桐呜

前言

在高能粒子物理学中，量能器是一种以破坏性方式测量入射粒子能量的探测器，量能器在几乎所有探测器系统中都是关键组件，并且它们对于粒子物理学的许多进展至关重要，例如发现了矢量玻色子，顶夸克的发现，以及最近发现的希格斯玻色子。

量能器系统在未来的粒子物理实验中仍将不可或缺，对能量、时间和空间分辨率有着极高的要求。新颖的技术，高性能半导体光子探测器的发展，允许设计具有前所未有的粒度的大规模量能器。

高粒度除了其他好处外，还可以更好地在量能器中分离单个粒子淋浴的空间。未来的电子正电子对撞机实验依赖于高度细粒度的量能器系统，以实现测量粒子喷注所需的能量分辨率，这对于例如希格斯玻色子的精密测量至关重要。

理论和实验背景

CALICE合作组正在开发这种高度细粒度的量能器系统，在展示了高度细粒度量能器的物理能力之后，CALICE合作组目前正处于技术原型阶段，证明了在未来的电子正电子对撞机实验中构建这种量能器的技术可行性。

在CALICE合作组内开发的项目之一，是CALICE闪烁体-SiPM模拟强子量能器，AHCAL的部分装备技术原型在多次测试束流活动中运行，CALICE原型的单元格配备了纳秒级时间能力，为集中水平提供了5维信息。

强子量能器面临的一个关键挑战是，强子淋浴内部物理过程及其变化的复杂性，具有高粒度的量能器提供了对个别粒子淋浴详细空间分辨率的机会，可以深入了解特定淋浴中发生的物理过程。

这些信息可以在每个事件的测量后，通过对每个淋浴进行加权来提高量能器的能量分辨率性能。这种方法被称为软件补偿，在CALICE合作组内得到了很好的应用。在量能器单元格内进行精确的时间测量，为理解强子淋浴提供了新的窗口。

以前的实验，已经展示了强子淋浴的复杂时间结构，以及用颗粒探测器进行测量的可能性。在量能器单元格水平上进行时间测量可能会提供有关特定强子领域发展的额外信息，探索击中时间信息在提高高粒度量能器的能量分辨率方面可以发挥到什么程度。

高能粒子物理学中，探测器量能器是一种用于破坏性测量入射粒子能量的设备。在粒子物理学中，粒子与物质相互作用会产生粒子淋浴，即粒子在物质中释放能量并引发级联反应。量能器的主要任务是测量这些入射粒子所释放的能量，并将其转化为可测量的电信号。

随着粒子物理研究的深入，对于粒子淋浴内部物理过程的理解变得尤为重要。这种理解有助于精确测量入射粒子的能量，从而推进物理模型的验证和新粒子的发现。然而，由于粒子淋浴的复杂性，特别是强子淋浴，深入理解其中的物理过程是一项挑战。

高粒度量能器为解决这些挑战提供了可能性，通过将探测器分割为更小的单元，高粒度量能器可以提供关于粒子淋浴内部结构和发展的更详细信息，对于电磁淋浴，可以精确测量光子和电子的能量沉积情况。对于强子淋浴，可以更好地分辨不同的强子产生的次级粒子。

粒子物理中的未解之谜

在粒子物理学中，通过粒子物理标准模型，大多数基本粒子之间的相互作用可以以高精度进行预测。标准模型包含自旋1/2的粒子，以及自旋为整数的玻色子。自旋为1的规范玻色子是三种基本力的传递者：电磁力、弱力和强力。

标准模型中的带电费米子构成了所有可见物质，它们由三个轻子和六个夸克组成。三个电荷为零的中微子则补充了费米子集合。夸克组成了复合粒子，称为强子。由两个夸克组成的强子称为介子，由三个夸克组成的强子称为重子。

在标准模型内，需要一种特殊的机制来解释为什么规范玻色子具有质量。希格斯场通过电弱对称性破缺提供了这种质量产生机制，与之同时提出了一个新的自旋零玻色子，即希格斯玻色子，它是通过该场的量子激发产生的。

LHC是一个质子对撞机，工作在高达13 TeV的碰撞能量下，达到了前所未有的高能水平。除了希格斯玻色子的发现，LHC上的实验还以极高的精度确认了标准模型在大范围内的预测，涵盖了许多过程。

ATLAS实验中各种标准模型过程的理论预测和实验测量的截面，在这些过程中都没有发现与标准模型显著不符的现象。这些超越标准模型的理论通常预测，在碰撞实验中可能会观察到的新粒子，或者已知的标准模型过程中的轻微偏差。

寻找超越标准模型的物理的努力可以大致分为三类，宇宙学实验为观测提供了一个窗口，涵盖了包括引力在内的非常大的尺度，同时也包括了宇宙非常早期的时期，如对宇宙微波背景的精确测量。

能量前沿的基于对撞机的实验，如LHC，旨在在非常高的能量下直接产生新粒子，各种模型预测在TeV尺度上会有新粒子产生，但迄今尚未被探测到，寻找超越标准模型物理的第三种方式是对标准模型过程进行精密测量。

存在着各种现有或拟议的精密实验，旨在以每百万分之0.14的精度测量μ子的反常磁矩。这需要精确的标准模型预测的理论计算与精密测量之间的相互作用。除了基于对撞机的实验在发现新粒子方面的关键作用外，它们也是精密测量的重要工具。

在基于对撞机的精密测量中，与质子质子对撞机相比，电子正电子对撞机通常具有优势。质子是由夸克和胶子构成的复合粒子，其中强力占据了相互作用的主导地位。而电子和正电子则是通过电弱力相互作用的基本粒子。

对于电子正电子对撞，两个相互碰撞的粒子的初始状态是众所周知的，而在质子质子对撞中，两个相互碰撞的质子中的部分子的能量分布遵循部分子分布函数，导致碰撞的不变质量存在较大的不确定性。

在质子质子对撞中可能会出现所谓的底层事件，除了主要的高能碰撞外，还会形成次级碰撞。与强相互作用的大截面相比，许多有趣的过程，通过希格斯辐射产生希格斯玻色子或矢量玻色子融合是通过电弱力介导的，这会导致大量的强子背景。

在LHC上没有出现新的物理现象时，希格斯玻色子的精密测量，成为高能粒子物理界的主要焦点之一。探索希格斯玻色子的确切性质，可能会得出远高于希格斯玻色子静止质量的能量尺度的结论。

未来的电子正电子对撞机概念

电子正电子对撞机实验为测量粒子相互作用，提供了在没有大量强子背景和有明确定义初始状态下的机会。与质子质子对撞机实验相比，这对于精密测量有几个有益的后果，关于可能的未来电子正电子对撞机存在几种讨论中的概念。

在发现希格斯玻色子之后，以高精度测量其性质已成为粒子物理学中的特殊关注点，由于希格斯玻色子与标准模型中所有的有质量粒子都有相互作用，它很可能是解决粒子物理中许多未解之谜的关键。

通过精密测量希格斯玻色子与其他标准模型粒子之间的耦合常数，可以推断出希格斯部分的确切性质的线索。预计未被发现的其他希格斯玻色子，或者希格斯玻色子的复合性质，将导致这些耦合常数与标准模型预测相比出现偏差。

顶夸克是所有标准模型粒子中最重的，其质量约为mt ≈ 175GeV，它与希格斯玻色子之间的耦合最大，称为顶夸克Yukawa耦合，预计接近于单位，并且是理解电弱对称性破缺的关键。

与希格斯玻色子的质量一起，顶夸克的质量在探索标准模型真空稳定性方面，发挥了关键作用。顶夸克衰变得太快，无法形成束缚态，这导致在能量约为2mtp s ≈ 350GeV附近出现了独特的产生阈值行为。

电子正电子对撞机提供了扫描顶夸克阈值区域的可能性，从而实现对顶夸克质量的精确测量，在质心能量为p s = 500GeV时，两个希格斯玻色子的产生变得可行。过程e +e − → Z H H 允许测量希格斯玻色子的自耦合。

在这些能量下，通过e +e − → tt H¯ 过程可以测量顶夸克与希格斯之间的耦合，在几TeV的更高能量下，通过e +e − → Hνeν¯e 过程产生的希格斯产生截面上升，提供更多统计信息，从而实现更精确的测量。

未来电子正电子对撞机的提议概念

圆形电子正电子对撞机，如FCC-ee 或 CEPC ，受到同步辐射的严重影响，由于同步辐射导致的功率损耗与束流粒子的能量 E、粒子的质量 m ，和加速器的半径 r 的高次方相关：Psync ∝ E 4 r 2m4。

由于电子的质量较低，同步辐射导致的功率损耗成为圆形电子正电子对撞机的限制因素，它们需要具有较大的周长，并且通常在能量上受到限制，通常是希格斯工厂规模或顶夸克阈值。

FCC-ee 加速器提出了最大的碰撞能量为 p s = 365GeV，具有约100公里的加速器环周。然而，在这些能量下，与线性对撞机相比，圆形对撞机可能达到更高的亮度。圆形对撞机相对于线性对撞机的另一个优势是，可以将环重新用于未来的高能质子质子对撞机。

线性对撞机不受同步辐射的功率损耗限制，这使它们可以达到更高的能量，线性几何结构的缺点是，在碰撞后粒子束会丧失，而在圆形对撞机中可以重新使用。这使得高能线性对撞机要达到高亮度变得具有挑战性。

在相互作用点处需要非常高的粒子束聚焦，以及使用阻尼环来降低束流发射度，目前用于线性电子正电子对撞机的概念包括国际线性对撞机和紧凑线性对撞机。这两个提议依赖于不同的加速器技术，因此面临略有不同的挑战。

对于ILC，预计采用分阶段方法，从质心能量250 GeV开始，又升级至380 GeV和500 GeV的可能。CLIC则可以达到高达3 TeV的更高能量。电子正电子对撞机实验的一个重大优势是干净的事件，没有大量的强子背景。

这使得可以精确测量强子末态，这对希格斯玻色子尤其重要，因为它主要通过强子衰变衰变，W-玻色子和Z-玻色子也有超过2/3的强子衰变。由于这些玻色子涉及许多末态，优秀的喷注能量分辨率对于所有电子正电子对撞机实验都很重要。

所有电子正电子对撞机实验的提案，都旨在在95%水平上，区分W-玻色子和Z-玻色子的强子衰变。这需要100 GeV时的3%至4%的喷注能量分辨率。喷注能量分辨率通常受限于量能器的性能。

粒子与物质的相互作用

在任何粒子物理实验中，粒子的探测都具有极高的重要性。每个粒子探测器都依赖于粒子与物质的基本相互作用过程，所有带电粒子都可能与所穿过的介质发生电磁相互作用。这些电磁过程是电子、μ子和光子与物质的主要相互作用。

当带电粒子以速度 v 穿过折射率为 n 的介质，速度大于该介质中的光速 c n 时，将会发射切伦科夫光。这种效应源于一个事实，即穿过的带电粒子会极化其轨迹周围的介质。对于 v < c n ，偶极子的极化原子被对称地排列，各偶极子场在所有偶极子上的积分为零。

对于 v > c n ，偶极子以不对称的方式排列，所得的偶极子场导致在特定角度下，发射切伦科夫光。这种阈值效应可以用于粒子鉴别目的。切伦科夫辐射的总能量损失通常远低于电离损失，对于最小电离粒子，约为 1%。

核碎裂

与入射强子相互作用的核子很可能会发生碎裂，入射强子与准自由核子相互作用，这些核子可能穿过核，与其他核子碰撞。其中一部分核子可能获得足够的能量逃离核，而其他核子则导致核的激发态。

快速碎裂过程中释放的质子和中子的数量，平均为靶核中质子和中子的比例，在传输的能量足够高的情况下，逃逸的粒子可能形成π介子或其他不稳定的强子。在较慢的时间尺度上，激发态核通过蒸发中子、质子或较重的强子来退激。

核的过剩能量通过光子辐射出去，在碎裂过程中可能会发生数百种不同的过程，概率相似，因此导致核相互作用的结果多样性很大。大量的碎裂产物可能会与吸收材料相互作用，形成强子级联。

量能计是大多数高能粒子探测器系统的重要组成部分，它通过吸收粒子的所有能量来以一种破坏性的方式测量粒子的能量。当高能入射粒子穿过物质时，可能以几种方式与介质相互作用，从而导致电磁或强子级联的生成，具体取决于这些粒子的性质。

在级联过程中，入射粒子的动能以几种方式转化，转化为快速次级粒子的产生、原子的激发、光子的辐射、热的产生或由于碎裂而失去结合能，量能计被用于通过测量产生的热量来推断化学反应产生的能量。

总结

在粒子物理学中，通过测量通过产生热量来测量粒子和辐射的能量也是存在的 。尽管这些类型的量能计在低能精密测量方面取得了成功，但它们不适用于高能粒子。需要大的探测器体积才能完全包含这些粒子产生的级联，并且产生的热量太低无法测量。

高能量的量能计需要依靠其他的探测机制，最常见的探测机制之一是测量级联中带电粒子的电离能量。量能计可以分为两类：均质量能计和采样量能计。在均质量能计中，整个量能计作为活性组件，完整的级联可以被测量。

其中一个最著名的现代均质量能计，是紧凑微子磁体电磁铅钨晶体量能计，均质量能计中的活性材料密度较低，需要非常大的探测器几何尺寸才能完全吸收入射粒子。当使用高密度的活性材料时，量能计会变得非常昂贵，就像CMS量能计一样。

参考文献

1、Arnison，《Experimental observation of lepton pairs》，1983年。

2、Bagnaia，《Evidence for z 0 → e +e − at the CERN pp collider》，1983年。

3、Akimoto，《Observation of top quark production》，1995年。

4、Abachi，《Search for high mass top quark production》，1995年。

5、ATLAS，《Observation of a new particle》，2012年。