【專題企劃5】臺灣偵測器聯合實驗室  碰撞出高能物理新高度

by Yang-Kuang Chao
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採訪 ‧ 撰稿  /  何郁庭 (科學推展中心執行編輯)

臺灣偵測器聯合實驗室(原臺灣高能物理聯合實驗室,Taiwan Instrumentation and Detector Consortium,本文下稱TIDC)主要目的為設計及產製新一代的矽偵測器,用以偵測大強子對撞機(Large Hadron Collider,本文下稱LHC)實驗中產生的基本粒子,或是其他輻射粒子。矽偵測器就像是LHC的眼睛,若沒有它,高能物理的許多理論與假設,就沒有辦法得到確切的證據。

透過專訪,我們有幸邀請TIDC的團隊的一員,同時也在臺灣大學物理系任教的呂榮祥副教授,分享聯合實驗室成立一年多來的現況、階段性成果與未來方向。

TIDC組成與背景

聯合實驗室自2020年成立,目前由臺灣大學、中央大學、中央研究院、清華大學與成功大學高能物理相關的實驗室組成,由於高能物理領域屬於「大科學」,因此,資源共享及分工合作,都是相當重要且必要的。TIDC與「高能物理」研究領域的關係密不可分,而高能物理的研究核心,是用實驗方法研究基本粒子之間的交互作用,呂教授領導的實驗室強調利用硬體跟偵測器研發/建造的方式,來運行實驗,取得好的數據,以了解物理背景。

呂教授說道,當初成立實驗室,是為了LHC的升級計畫,起初聯合實驗室是為了緊湊型渺子螺線管探測器(Compact Muon Solenoid, CMS)實驗而合作,規模也較小,僅有臺大與中大;之後,又因LHC升級計畫中的另一個超環面儀器(A Toroidal LHC Apparatus, ATLAS)實驗,需集合人力與資源,臺灣高能物理領域相關的實驗室就自然而然地聯合在一起,中研院、清大、成大因而加入,五校一同合作,形成今日的TIDC。由於高能物理這樣的研究領域,需要很多人力、資源,甚至是跨國際的合作,因此,儘管TIDC的各個研究室分散在臺灣各個縣市,但橫向溝通對於各位教授而言,並沒有太大的問題。

高能物理研究可粗略區分為硬體、實驗為主的主題,以及計算跟物理分析為主的課題;聯合實驗室成立到現在為止,發展重點以前述的硬體,也就是矽偵測器為主要目標。中央大學的郭家銘、林宗泰教授,以研發矽偵測器見長;中研院的張元翰、林志勳博士,則專注於設計製具及精工廠的運作;而臺大的呂榮祥、裴思達教授,致力於偵測器模組的研發與製作。聯合實驗室的各個團隊各自具有偵測器方面的頂尖技術,而這些合作,將可以研發出新一代的偵測器與科技,帶領高能物理領域前進到下一個階段。

相關學術研究成果

TIDC成立一年多來,首要專注於高能實驗的研發,不過也不乏跨領域的接觸與合作。例如郭家銘教授,與同為中大的地球科學系陳建志教授,合作研發渺子成像新型探測器;臺大的裴思達教授,亦參與中研院地震研究中,放射性氣體——氡氣偵測器的研發;本次訪問的呂榮祥教授,也跟臺大物理系王名儒老師合作,設計尖端晶體研究團隊所需要的晶體測試系統,以量測新研發晶體的表現。中研院的林志勳博士,也協助長庚質子治療中心設計X光的校正系統,該機器現在固定放在長庚醫院,用以校正質子束流的強度。

雖然實驗室一開始成立的目的是為了大強子對撞機的升級實驗,但美國的布魯克黑文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory,下文稱BNL )得知TIDC的成果與能力後,便積極向實驗室接觸,希望我方可以幫忙製造及生產BNL所需要的矽偵測器,因此,從去年開始共同研發,並且為對方生產新一代的矽偵測器。其實,當初設立聯合實驗室時,並沒有預期會有跨國的專題與聯繫,但從對方主動提出邀約,並產生新連結的過程,間接來說,也是對TIDC的一大肯定。

要找到基礎又尖端的人才加入團隊並不容易。呂教授說,目前團隊中研究人員的養成,多半來自各大學的物理系,尤其是研究所的階段,從中發掘對高能實驗有興趣的人,方法相對保守;不過,最近也開始積極向外推展,到各個大學演講,一方面讓更多人知道高能物理實驗與偵測器的資訊,另一方面,也期望吸引不同領域和背景的學生。今年(2022)夏天,TIDC更舉辦了暑期學校,且於網站公告,期望為期6天、集結十餘位頂尖高能物理相關學者,能帶給有興趣的學生更多刺激,進而系統性的了解問題與分析問題。

學術研究未來展望

TIDC成立初始,便以矽偵測器為首要目標,呂教授也坦言,未來仍會有70%的資源,專注在高能物理實驗的基礎學術研究。然而在基礎研究外,因為團隊具有偵測輻射粒子跟大數據的專長,所以,像生醫、地質、晶體結構,或其他需要進行輻射粒子、質子、X光等實驗或監測的範疇,都是下一步拓展跨域合作的機會,這也有助提升國內整體研究實力,達到雙贏的榮景。

而對於學界和產業方面,長遠來說,TIDC也想銜接雙方的專長與資源。臺灣在半導體方面有很強大的背景,假若將臺灣的科學園區和研究單位加以整合,或可創造出一條龍式的偵測器聯合實驗室,從一開始的設計與模組開發,到製作最終成品,都能在臺灣完成。一旦這個框架建置完備,將具有國際層級的優勢與競爭力;未來,當世界上任何機構需要粒子偵測器的時候,會知道臺灣有足夠的量能和科技,進行完整的研發、設計和生產,帶領整個學界與產業邁向下一階段的里程碑。

最後,對於非高能物理領域的人,呂教授也鼓勵大眾多多了解粒子物理實驗或大科學在做些什麼,待解決的問題有哪些。臺灣的應用科學相當受到矚目,而基礎學門相對關注較少,大學物理相關科系中,著重凝態、電機方面的研究室比例也較高,然而,像這樣的情形,卻與國外的物理研究恰恰相反,這在呂教授的觀察中,是個相對奇特的現象,而這個現象的背後,或許跟臺灣的學術風氣有所呼應。

TIDC是一個集結高度專業與資源的團隊,於技術上,擁有產製高品質矽偵測器的能力;於跨域研究上,提供其他領域精準觀測粒子的支援;於人才培育上,亦開辦暑期學校,拓廣接觸潛在研究人員的機會。儘管臺灣的高能物理實驗已經準備多年,但TIDC的整合,反映出臺灣在偵測器與高能物理實驗的推展上,都還有更蓬勃發展的潛能,而未來,這樣基礎的研究,可望帶領人們站上更高的成就。


延伸閱讀

1.  建立科研合作新模式,打造國際優勢研發能力 科技部推動建立臺灣高能物理聯合實驗室

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