科学家在飞机上运输粒子探测器，你敢坐吗？

王太保

你可能在飞机上看到过有宠物甚至乐器陪伴飞机乘客，但是你曾坐在粒子探测器旁边吗？一年多来，美国能源部Lawrence Berkeley国家实验室(Berkeley Lab)的一个小团队一直在组装、测试和运输探测器部件，以升级欧洲CERN实验室的Alice(大型离子对撞机实验)探测器阵列。探测器面板作为“乘客”乘坐。伯克利实验室团队的解决方案是：确保这些精心组装的精致部件从A点到B点完好无损：将它们作为旅伴对待。爱丽丝是一项核物理实验，旨在将高能铅离子彼此碰撞。

并与质子碰撞，以探索被称为夸克胶子等离子体的超热物质的奇特状态，这种状态被认为存在于早期宇宙中。Berkeley Lab是全球五个为升级项目建造探测器面板(称为“staves”)的地点之一，这将提高Alice探测器内部跟踪系统的性能，包括拍摄粒子碰撞快照的分辨率、耐久性和数据收集速度。伯克利实验室的核物理研究人员轮流在一个配有肩带定制透明容器中轮流运输四个长探测器隔板。装货时，这个一米长的集装箱重约25磅。搁板堆叠有硅芯片和相关电路和功率元件的序列。

伯克利实验室团队负责的每个隔板有8个传感器模块，每个模块配备14个传感器，每个隔板总共112个传感器。伯克利实验室(Berkeley Lab)核科学部的科学家利奥·格雷纳(Leo Greiner)说：我们最终为他们购买了商业航班的座位，因为没有其他可靠的方法让他们到达那里，格里纳领导的团队致力于爱丽丝探测器升级组件。该团队使用了探测器模块的机械模型，以了解它们在飞机货舱中的支撑情况，但表现并不好：这些部件明显受损，有些部件断裂了，很明显，运输不可能像我们最初设想的那样发生。

因此，研究了在机舱内获得吊杆的最佳方法：一个更受保护的环境。为音阶购买座位的规则与音乐家想要手工携带到飞机上昂贵乐器的规则相似。伯克利实验室制造的透明手提箱是为方便机场安全检查而设计，机场X光扫描不是问题，因为探测器组件的设计可以承受更强辐射。一旦登上飞机，研究人员要求延长安全带，以安全地将手提箱扣到相邻的座位上。通常路线是从旧金山湾区飞往纽瓦克或华盛顿特区，然后转乘飞往瑞士日内瓦的国际航班。往返行程通常包括两天的旅行和两天CERN检查组件是否有任何损坏。

伯克利实验室团队成员在过去一年中完成了大约14次这样的旅行，最后一次旅行计划在今年10月中旬。科学推广变得容易，这种不寻常的随身携带是一个很好的谈话开端。尼基·阿帕杜拉(Nikki Apadula)是核科学部的项目科学家，也是爱丽丝团队的成员，他参加了探测器的短途旅行并表示说：我花了一整趟去纽瓦克的旅程，用座椅的后背来解释粒子在探测器中的作用。高大的旅行集装箱有时会很麻烦，事实上，这些东西有一米多长，只是很尴尬，它几乎和人一样高，伯克利实验室爱丽丝探测器升级团队的其他成员。
组装冷却壁
伯克利实验室团队正在为爱丽丝升级外筒探测器的中间层贡献60个探测器隔板，这是美国实验室做出的最大贡献。完成的探测器将有七个同心层，这些同心层将容纳总共24000个用于检测粒子相互作用的硅传感器。它计划于2020年3月安装，并将于2021年初投入使用。伯克利实验室的探测器组装是在专门建造塑料墙洁净室环境中进行。研究人员仔细测量并将八个探测器模块粘在每个冷却壁上，精度通常以几十微米或百万分之一米测量。

冷却壁具有能让冷水沿其长度循环并防止过热的管子，所有材料（包括附着探测器模块的胶水）都必须经过测试，以确保它们能够经受住探测器环境。每个冷却壁都具有沿其长度方向的楔形碳纤维支撑，以及铝电子组件而不是铜，以提供更好的跟踪分辨率，以捕获粒子相互作用，同时抵御粒子碰撞产生的辐射障碍物。在该项目的早期阶段，Berkeley Lab团队在Berkeley Lab的88英寸回旋加速器中使用了强大带电粒子束来测试探测器材料的耐久性。
下一代探测器设计
升级中的探测器基于单片像素探测器技术，这种类型的早期探测器用于布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机(RHIC)的STAR(RHIC螺线管跟踪器)探测器。Berkeley Lab在这种类型的探测器方面具有特殊的专业知识，并为早期的研发做出了贡献。Alice升级检测器设计为更长的寿命，处理信号的速度比早期检测器快约10倍，并且具有约30微米的单个像素大小。改进后的分辨率将使研究人员能够更好地区分在初始铅核碰撞中产生的粒子。