你可能在飛機(jī)上看到過有寵物甚至樂器陪伴飛機(jī)乘客，但是你曾坐在粒子探測(cè)器旁邊嗎？一年多來，美國(guó)能源部Lawrence Berkeley國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Berkeley Lab)的一個(gè)小團(tuán)隊(duì)一直在組裝、測(cè)試和運(yùn)輸探測(cè)器部件，以升級(jí)歐洲CERN實(shí)驗(yàn)室的Alice(大型離子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn))探測(cè)器陣列。

探測(cè)器面板作為“乘客”乘坐。伯克利實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)的解決方案是：確保這些精心組裝的精致部件從A點(diǎn)到B點(diǎn)完好無損：將它們作為旅伴對(duì)待。愛麗絲是一項(xiàng)核物理實(shí)驗(yàn)，旨在將高能鉛離子彼此碰撞。

并與質(zhì)子碰撞，以探索被稱為夸克膠子等離子體的超熱物質(zhì)的奇特狀態(tài)，這種狀態(tài)被認(rèn)為存在于早期宇宙中。Berkeley Lab是全球五個(gè)為升級(jí)項(xiàng)目建造探測(cè)器面板(稱為“staves”)的地點(diǎn)之一，這將提高Alice探測(cè)器內(nèi)部跟蹤系統(tǒng)的性能，包括拍攝粒子碰撞快照的分辨率、耐久性和數(shù)據(jù)收集速度。伯克利實(shí)驗(yàn)室的核物理研究人員輪流在一個(gè)配有肩帶定制透明容器中輪流運(yùn)輸四個(gè)長(zhǎng)探測(cè)器隔板。裝貨時(shí)，這個(gè)一米長(zhǎng)的集裝箱重約25磅。擱板堆疊有硅芯片和相關(guān)電路和功率元件的序列。

伯克利實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)的每個(gè)隔板有8個(gè)傳感器模塊，每個(gè)模塊配備14個(gè)傳感器，每個(gè)隔板總共112個(gè)傳感器。伯克利實(shí)驗(yàn)室(Berkeley Lab)核科學(xué)部的科學(xué)家利奧·格雷納(Leo Greiner)說：我們最終為他們購(gòu)買了商業(yè)航班的座位，因?yàn)闆]有其他可靠的方法讓他們到達(dá)那里，格里納領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)致力于愛麗絲探測(cè)器升級(jí)組件。該團(tuán)隊(duì)使用了探測(cè)器模塊的機(jī)械模型，以了解它們?cè)陲w機(jī)貨艙中的支撐情況，但表現(xiàn)并不好：這些部件明顯受損，有些部件斷裂了，很明顯，運(yùn)輸不可能像我們最初設(shè)想的那樣發(fā)生。

因此，研究了在機(jī)艙內(nèi)獲得吊桿的最佳方法：一個(gè)更受保護(hù)的環(huán)境。為音階購(gòu)買座位的規(guī)則與音樂家想要手工攜帶到飛機(jī)上昂貴樂器的規(guī)則相似。伯克利實(shí)驗(yàn)室制造的透明手提箱是為方便機(jī)場(chǎng)安全檢查而設(shè)計(jì)，機(jī)場(chǎng)X光掃描不是問題，因?yàn)樘綔y(cè)器組件的設(shè)計(jì)可以承受更強(qiáng)輻射。一旦登上飛機(jī)，研究人員要求延長(zhǎng)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(qū)飛往紐瓦克或華盛頓特區(qū)，然后轉(zhuǎn)乘飛往瑞士日內(nèi)瓦的國(guó)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(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)成員在過去一年中完成了大約14次這樣的旅行，最后一次旅行計(jì)劃在今年10月中旬。科學(xué)推廣變得容易，這種不尋常的隨身攜帶是一個(gè)很好的談話開端。尼基·阿帕杜拉(Nikki Apadula)是核科學(xué)部的項(xiàng)目科學(xué)家，也是愛麗絲團(tuán)隊(duì)的成員，他參加了探測(cè)器的短途旅行并表示說：我花了一整趟去紐瓦克的旅程，用座椅的后背來解釋粒子在探測(cè)器中的作用。高大的旅行集裝箱有時(shí)會(huì)很麻煩，事實(shí)上，這些東西有一米多長(zhǎng)，只是很尷尬，它幾乎和人一樣高，伯克利實(shí)驗(yàn)室愛麗絲探測(cè)器升級(jí)團(tuán)隊(duì)的其他成員。

組裝冷卻壁

伯克利實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)正在為愛麗絲升級(jí)外筒探測(cè)器的中間層貢獻(xiàn)60個(gè)探測(cè)器隔板，這是美國(guó)實(shí)驗(yàn)室做出的最大貢獻(xiàn)。完成的探測(cè)器將有七個(gè)同心層，這些同心層將容納總共24000個(gè)用于檢測(cè)粒子相互作用的硅傳感器。它計(jì)劃于2020年3月安裝，并將于2021年初投入使用。伯克利實(shí)驗(yàn)室的探測(cè)器組裝是在專門建造塑料墻潔凈室環(huán)境中進(jìn)行。研究人員仔細(xì)測(cè)量并將八個(gè)探測(cè)器模塊粘在每個(gè)冷卻壁上，精度通常以幾十微米或百萬分之一米測(cè)量。

冷卻壁具有能讓冷水沿其長(zhǎng)度循環(huán)并防止過熱的管子，所有材料（包括附著探測(cè)器模塊的膠水）都必須經(jīng)過測(cè)試，以確保它們能夠經(jīng)受住探測(cè)器環(huán)境。每個(gè)冷卻壁都具有沿其長(zhǎng)度方向的楔形碳纖維支撐，以及鋁電子組件而不是銅，以提供更好的跟蹤分辨率，以捕獲粒子相互作用，同時(shí)抵御粒子碰撞產(chǎn)生的輻射障礙物。在該項(xiàng)目的早期階段，Berkeley Lab團(tuán)隊(duì)在Berkeley Lab的88英寸回旋加速器中使用了強(qiáng)大帶電粒子束來測(cè)試探測(cè)器材料的耐久性。

下一代探測(cè)器設(shè)計(jì)

升級(jí)中的探測(cè)器基于單片像素探測(cè)器技術(shù)，這種類型的早期探測(cè)器用于布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(RHIC)的STAR(RHIC螺線管跟蹤器)探測(cè)器。Berkeley Lab在這種類型的探測(cè)器方面具有特殊的專業(yè)知識(shí)，并為早期的研發(fā)做出了貢獻(xiàn)。Alice升級(jí)檢測(cè)器設(shè)計(jì)為更長(zhǎng)的壽命，處理信號(hào)的速度比早期檢測(cè)器快約10倍，并且具有約30微米的單個(gè)像素大小。改進(jìn)后的分辨率將使研究人員能夠更好地區(qū)分在初始鉛核碰撞中產(chǎn)生的粒子。

博科園｜研究/來自：勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

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