Monitoring antiproton numbers with a CMOS detector in a dense-track environment

在位于瑞士的欧洲核子研究中心（CERN）实验室的核心地带，科学家们正致力于理解为什么宇宙是由物质构成的。在大爆炸发生后的瞬间，物质和反物质本应以相等的量被创造出来，并随即相互湮灭。然而，我们现在却身处物质之中。为了解开这个谜团，研究人员正在极其精确地研究反物质，寻找它与普通物质在行为上是否存在哪怕最微小的差异。其中一项名为 GBAR 的实验，旨在制造反氢原子——即普通氢原子的镜像——并让它们落下，以观察重力对它们的影响。为此，团队必须首先收集特定数量的反质子（反物质中带负电的构建模块），并将它们减速到极慢的速度。挑战在于，这些粒子是不可见的，且一旦接触普通物质就会立即消失，这使得准确获知任何时刻存在的粒子数量变得异常困难。如果没有精确的计数，测试物理定律所需的精密测量将变得无法实现。

为了解决这个计数问题，GBAR 团队开发了一种巧妙的方法，利用经过改装的数字相机来观察粒子碰撞后的痕迹。在他们的真空室内部，他们将一束反质子射向一个由微小玻璃管组成的特殊探测器表面。当一个反质子撞击这个表面时，它会发生湮灭，随之消失并释放出一股能量，喷射出一团由新的、高速运动的粒子组成的云团。团队意识到，如果他们能够统计这些喷射出的粒子数量，就可以通过逆向推导来确定到底有多少个反质子到达。他们在真空室外部安装了一台去除了镜头的商用数字相机，并用遮光箔将其包裹起来。该相机配备了一个由数百万个微观像素组成的极高灵敏度传感器，类似于智能手机中的像素，但精度要高得多。当湮灭产生的粒子喷流撞击传感器时，会在其上留下微小的电荷轨迹，相机则将这些轨迹记录为清晰的光簇。

研究人员面临着一个重大障碍：环境中的粒子非常密集，且反质子撞击的表面结构复杂且不平整。他们需要确保相机能够区分单个反质子事件与背景噪声，并且能够处理数百万个事件而不产生混乱。通过仔细测试，他们发现相机的传感器几乎完美地胜任了这项工作。它的灵敏度极高，几乎能探测到穿过它的每一个粒子，同时它对通常会干扰其他探测器的背景辐射保持“盲视”。通过分析传感器上光簇的大小和形状，团队可以确定粒子到达的角度，甚至可以估算传感器活性层的厚度。他们发现，对于每一个撞击目标的反质子，都会产生数量可预测的新带电粒子，从而形成一个可靠的特征信号，使相机能够进行高精度的计数。

为了将这些计数转化为精确的反质子数量，团队必须考虑其装置的几何结构以及粒子从目标向相机移动时的行为。他们利用强大的计算机模拟来模拟粒子如何在真空中移动以及如何与周围设备发生相互作用。这些模拟帮助他们理解，到达相机的粒子数量取决于距离目标的远近以及粒子所经过的具体材料。通过比较相机在两个不同位置（一个靠近束流源，一个在下游）的计数，他们可以对系统进行校准。他们发现，在两个位置检测到的粒子比例与计算机模型相吻合，这证实了他们方法的可靠性。这使他们能够建立一个简单的公式：通过计算相机上的光簇数量，并结合距离以及每个反质子产生的平均粒子数，他们就能计算出束流中的反质子总数。

这一成果为测量反物质提供了一种既稳健又准确的新方法。团队证明，该方法可以重建数百万次反质子湮灭过程，总误差率约为百分之十左右。这种精度的实现，是因为相机直接对粒子进行计数，绕过了许多困扰其他测量技术的各种不确定因素。该方法最大限度地减少了由目标复杂表面或每次碰撞产生的粒子数量变化所导致的误差，因为当系统针对已知束流强度进行校准时，这些因素会相互抵消。这项技术的成功意味着 GBAR 实验现在可以非常有信心地监测其反质子供应情况，确保随后创建和研究反氢原子的步骤建立在坚实的基础之上。这是一场无声但至关重要的胜利，将混乱的亚原子碎片转化为清晰、可计数的信号，使科学家们离理解我们宇宙的基本本质又近了一步。