综述：新型微模式气体探测器实现精确μ子探测

（编辑推荐）本文系统阐述了高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）时代μ子探测的技术革新，重点介绍了微模式气体探测器（MPGD）中气体电子倍增器（GEM）和微网格气体探测器（Micromegas）在ATLAS与CMS实验中的大规模应用，为解决高粒子通量下的空间/时间分辨率挑战提供了解决方案。

　　

在粒子物理研究的历程中，μ子始终扮演着"黄金探针"的角色。从J/ψ介子发现到希格斯玻色子验证，μ子对提供了最清晰的物理信号。随着大型强子对撞机（LHC）进入高亮度运行阶段（HL-LHC），质子对撞率将高达8GHz，这对传统μ子探测系统提出了前所未有的挑战。

【检测μ子】

μ子平均寿命达2.2×10^-6秒，能穿透整个探测器系统。现代μ子系统已从简单的鉴别装置发展为包含40个测量点的大型径迹系统。CMS采用漂移管室，而ATLAS则使用环形磁场配合触发室，两者都需要在强辐射环境下保持亚毫米级空间分辨率和纳秒级时间分辨率。

【速率与耐久性挑战】

HL-LHC预期瞬时亮度达5×10³⁴ cm^-2s^-1，导致μ子探测器的粒子通量激增。特别是前向区域，年累积辐射剂量可达10mGy，传统电阻板室（RPC）的计数率限制（约1kHz/cm²）已无法满足需求。

【新型微模式气体探测器】

气体电子倍增器（GEM）通过多层铜箔微孔结构实现电荷放大，其关键突破在于：

1. 1.

   大面积制造技术：采用单掩膜光刻实现1m²级GEM箔生产

2. 2.

   放电控制：优化气体混合物（Ar/CO₂/CF₄=45/15/40）将放电概率降至10^-9

3. 3.

   高压稳定性：开发出耐受5kV的绝缘框架

微网格气体探测器（Micromegas）则采用128μm间距的微网格电极，在50μm漂移间隙内实现快速电子收集，时间分辨率达5ns。

【CMS的GEM升级】

CMS前向μ子系统安装三层GEM探测器（GE1/1、GE2/1、ME0），总面积达2400m²。关键技术突破包括：

• 采用三明治结构：3层GEM箔配合分段读取电极

• 抗辐照设计：使用聚酰亚胺基材耐受10C/cm累积电荷

• 模块化组装：将2.2m长探测器分为24个独立单元

测试数据显示，空间分辨率达120μm，效率>95%，时间分辨率8ns，完全满足HL-LHC要求。

【ATLAS新型小轮升级】

ATLAS采用Micromegas作为"新小轮"（NSW）核心探测器，每侧安装：

• 大型MM（1200×600mm²）用于径迹测量

• 小型MM（300×300mm²）用于触发

创新性地采用电阻性条纹阳极（resistive strip）技术，将放电能量限制在μJ级。

【RPC技术演进】

传统电阻板室通过改进得以延续应用：

• 新型玻璃RPC：计数率提升至5kHz/cm²

• 多层结构：4间隙设计补偿效率损失

• 环保气体：采用HFO-1234ze替代SF₆

【未来研发方向】

前沿研究聚焦于：

1. 1.

   3D-GEM：增加轴向分辨率

2. 2.

   可弯曲Micromegas：适应非平面几何

3. 3.

   新型读出芯片：如VMM3.1芯片支持5MHz/cm²计数率

4. 4.

   人工智能辅助径迹重建

这些技术进步将支撑未来环形对撞机（FCC）等项目的μ子探测需求，继续巩固μ子在粒子物理研究中的关键地位。