心藏粒子物理 探秘神奇世界
——記中國科學院高能物理研究所副研究員梁志均

□ 武光磊

1897年，英國物理學家湯姆森發現了第一個基本粒子電子，自此，與粒子物理有關的一切從這里開始……

隨著科研人員對粒子物理的深入研究，早在20世紀60年代初，通過實驗發現的基本粒子數量就已達到近百種。顯然，隨著加速器能量的提高，還會有大量的新粒子將被發現。在基本粒子的研究初期，人們曾寄希望于基本粒子會為物質世界描繪出一幅簡潔明了的圖象，但沒想到，基本粒子的種類竟如此之多，物質世界的奧秘也竟如此復雜。于是，科研人員開始向粒子物理的深層次探索更多的秘密，近年來，粒子加速器、探測手段、數據記錄以及計算技術應用的不斷發展，在帶來粒子物理本身進展的同時，也促進了整個科學技術的發展，取得的一系列豐碩成果也已經在宇宙演化的研究中發揮重要作用。

在進行粒子物理實驗的過程中，探測器是其中的“重頭戲”，中國科學院高能物理研究所副研究員梁志均自2006年起就參與了歐洲大型強子對撞機（LHC）實驗中的ATLAS實驗，而ATLAS作為LHC中四個大型探測器之一，主要進行的正是粒子物理實驗。長期以來，梁志均投身于L H C中有關ATLAS的研究，重點開展物理分析和探測器硬件研發工作，一點一滴探尋著粒子物理世界中的神奇。

梁志均與ATLAS探測器

始于興趣 忠于粒子物理研究

之所以執著于從事粒子物理這個研究方向，對梁志均來說，唯有“興趣”二字可以解釋。“我對物理很感興趣，而粒子物理可以研究物質的深層次結構，這對我很有吸引力。”梁志均如是說。

提到梁志均如何與物理結緣，還得從他的大學說起。對物理有著很深“執念”的梁志均，在高中時期就參加了多個物理競賽，取得的好成績也讓他對物理的感情愈發濃厚。2000年填報高考志愿時，他毅然決然地選擇了中山大學物理學專業，一直到2010年博士畢業他都在中山大學圍繞物理學進行研究，不曾離開。期間梁志均真正接觸到了LHC，并成為ATLAS實驗團隊中的一員。

為了在科研路上汲取更多的“營養”，博士畢業后梁志均再次踏入校園，分別在牛津大學和加利福尼亞大學圣克魯茲分校做博士后。在牛津大學做博士后期間，梁志均在ATLAS電弱物理方面做出重要貢獻，他精確測量了弱相互作用傳遞子“W/Z玻色子”的磁矩，其結果被引用過百次。由于其業務水平出色，他在2012—2013年被ATLAS國際合作組任命為電弱作用物理組的召集人，負責統籌安排主導電弱作用方面的物理研究。電弱作用物理組是ATLAS實驗主要的物料組之一，有來自世界各頂級研究所、大學的兩百位粒子物理學家。梁志均顯示了其優秀的領導才能，高效地把ATLAS電弱作用物理組中200多位科學家組織在一起，完成了10多篇高水平的文章。其中兩個最重要的成果包括：在大型強子對撞機首次發現三玻色子（W、Z）產生過程，與首次觀測到矢量玻色子散射（Vector boson Scattering）的跡象等重要的結果。

除了物理分析外，梁志均還在ATLAS探測器研發中做到了不鳴則已一鳴驚人。2010年至2013年間，梁志均主要負責調試運行ATLAS實驗中硅微條徑跡探測器的激光位置校準系統，為了達到到微米級的徑跡探測精度，他使用激光干涉儀，對探測器進行實時位置檢測，取得了良好的效果。而在對探測器的數據讀出時間進行校準時，他創新性采用獨創的原位校準法，成功把探測器4000多個module的讀出時間同步到2ns。

在加利福尼亞大學圣克魯茲分校做博士后期間，梁志均對ATLAS硅探測器Phase-II升級進行了系統研究。期間，除了研究傳統傳感器，他還參與了新型CMOS傳感器的研發，包括CMOS傳感器像素單元結構的優化、CMOS傳感器中的內置放大器的偏壓設計等，并與研發團隊摸索出抗輻照的傳感器像素單元結構。此外，他參與到ATLAS硅微條探測器升級與探測器模塊的研發中，制造出了首批硅微條探測器模塊的原型，為傳感器設計做出了重要貢獻。

胸懷大志 展望美好未來

在國外做博士后研究的幾年間，梁志均與導師和同事都結下了深厚的情誼，盡管國外良好的研究平臺和學習氛圍對梁志均來說都充滿吸引力，但他心中還是希望能夠回國，為我國粒子物理的發展貢獻一份力量。

2016年，在中國科學院“百人計劃”的支持下回國后，梁志均就開始思考下一步的研究計劃。他提到，2012年大型強子對撞機發現了希格斯玻色子，標志著人類對物質及其相互作用的認識達到了一個全新高度，其大部分的衰變道均已被實驗證實，然而其中最主要的衰變過程——正反底夸克對衰變（H→bbˉ ）在很長一段時間沒有得到最終確認。

梁志均近年致力于尋找H→bbˉ 衰變，這是確認所發現的粒子是否為標準模型希格斯玻色子最重要的一步，同時也是對標準模型本身的關鍵檢驗。他提出一個新的實驗方案，通過細分VBF過程中H→bbˉ 事件的“高能光子”子集來提高信號靈敏度。該方案最大程度上彰顯出信號，把VBF過程信號的顯著度提高50%以上。梁志均所提出的H→bbˉ 衰變測量的新實驗方案得到了自然科學基金委的支持，并且進展順利。今年下半年，ATLAS實驗與CMS實驗宣布首次發現希格斯玻色子最主要的H→bbˉ 衰變過程的成果，中國組ATLAS組科學家們中發揮關鍵作用。其中，梁志均團隊主導了ATLAS實驗VBF過程的H→bbˉ 分析。

與此同時，梁志均登高望遠，認為既然高能環形正負電子對撞機的物理目標是實現希格斯粒子的高精度測量，那么硅徑跡探測器的預研就極有可能是未來高能環形正負電子對撞機中的關鍵所在。

有了研究目標的梁志均斗志滿滿，今年，他以核心骨干身份參與了國家重點研發計劃中的課題“硅徑跡探測器關鍵技術驗證”，希望可以研制出高精度、抗輻照、低物質量的硅徑跡探測器原型機，為研發和驗證高精度徑跡測量的硅像素探測器技術而努力。同時，他對自己提出了要求，為了達到最終研究目標，最終研制出的探測器的空間分辨率要達到3～5微米，精度也要遠高于以往的探測器，而下一代高能環形正負電子對撞機的亮度以及對探測器的抗輻照要求也要相應提高。

梁志均表示，如果研制成功，該探測器就有望成為高能物理實驗中分辨率最高且數字讀出的像素探測器。梁志均展示了該項目的“秘密武器”：他們打算采用CMOS圖像傳感器技術，該技術會把傳感器與前端讀出的電路集成在一個芯片上，并以該技術減小像素尺寸，從而滿足下一代對撞機大科學裝置的物理要求。該項目所研制的CMOS圖像傳感器芯片比通用的CMOS芯片有更好的抗輻照性能，還能探測單個的帶電粒子；與高能物理中傳統的硅傳感器相比，具有更高的分辨率。該芯片可以廣泛應用于核物理實驗與粒子物理實驗、同步輻射成像與X射線成像、醫療成像以及航空航天探測等多個重要領域，因此研究意義重大。

“如果要建立下一代的對撞機大科學裝置，我們需要使用自己研發的先進探測器，該高精度傳感器芯片的研發必不可少。未來，我會把更多精力放在探測器芯片的研制技術上。”梁志均說道。雖然結果還不可知，但無論如何，他都會在不斷挑戰、完善自我的過程中，逐一實現心中的科研夢想。