2025年7月，上海交通大学李政道研究所和物理与天文学院“暗光计划”（DarkSHINE）预研团队在欧洲核子研究中心（CERN）的PS T9及SPS H2束流线上，成功开展了为期一个月的探测器小型原理样机束流实验。本次实验首次采用团队自主设计的读出电子学系统配合多通道晶体电磁量能器小型原理样机开展，是暗光计划子探测器原理样机关键性能验证的重要进展。

图1 （上）“暗光计划”探测器系统示意图；（下）电磁量能器原理样机结构示意图

“暗光计划”是用于寻找轻质量暗物质粒子（LDM）的关键实验装置，其核心任务是通过测量高能电子束流打靶产生的反冲电子能量损失来寻找暗光子不可见衰变信号[1,2]。电磁量能器[3]作为暗光计划”探测器系统中的核心部分之一，主要任务是完成对反冲电子能量的精确测量，采用具有高光产额、快衰减时间、高抗辐照性能的硅酸钇镥（LYSO）晶体闪烁体作为灵敏介质，耦合硅光电倍增器（SiPM）读出，同时搭配快响应读出电子学系统，以实现高电磁能量分辨率。

图2 （左）CERN PS T9束流现场；（右）束流实验装置

为通过本次束流实验对“暗光计划”电磁量能器研发提供技术验证，团队开发了电磁能量器小型原理样机系统，主要由三部分组成：（1）LYSO晶体闪烁体；（2）双量程SiPM-前置放大器读出板：用于SiPM信号读出和放大，提供高/低增益双通道输出，同时集成温度检测和SiPM增益刻度功能；（3）高速ADC采集卡[4]：对探测器电子学信号进行高速采集和传输，基于14-bit分辨率、1GS/s采样率的ADC芯片及FPGA芯片的自研波形数字化模块。该读出电子学系统由物理与天文学院邬维浩副教授团队设计完成[4]，中国科学技术大学物理学院赵雷教授、曹喆副教授团队提供了技术支持与合作指导。

图3 “暗光计划”电磁量能器小型原理样机结构示意图：（左）晶体及前端板；（右）高速ADC采集系统

图4 探测器的不同通道在1-5GeV电子束流下采集的信号能谱

团队利用CERN束流线提供的多类型粒子束流环境，对小型原理样机开展多维度性能测试与标定，包括利用5GeV缪子束对探测器进行能量标定、利用1-5GeV电子束研究探测器对电磁簇射的响应、利用5GeV π介子束研究探测器在探测器在强子簇射背景下的噪声水平与信号堆积情况。实验累计获取有效物理事例超30万例，为“暗光计划”探测器研发提供宝贵数据支撑。

本次实验与中国科学院高能物理研究所CEPC晶体量能器团队深度合作。团队不仅利用束流机会测试了自主研发的“暗光计划”探测器小型原理样机及读出电子学系统，还积极参与了CEPC晶体量能器原理样机的联合测试工作，协助完成探测器组装、标定、数据采集及分析工作。

图5 李所博士生赵芷钰在束流实验现场安装和调试探测器

本次“暗光计划”束流实验由李政道研究所李政道博士生赵芷钰（导师：李所长聘学者、教授李数）担任现场负责人，并与中国科学院高能物理研究所刘勇研究员团队负责的CEPC晶体量能器样机束流实验协同开展。双方在探测器运输维护、实验统筹规划及束流现场操作等环节深度协作，高效完成了“暗光计划”小型原理样机的束流实验任务。

本次束流实验及相关探测器的研发获得了上海交通大学数理化生国家高层次人才培养中心“李政道博士生”项目、暗物质物理全国重点实验室、粒子天体物理与宇宙学教育部重点实验室、上海市粒子物理和宇宙学重点实验室、国家重点研发计划及上海市基础研究特区计划等支持。中国科学院高能物理研究所束流实验团队、CERN束流实验团队、DRD6国际合作组等在此次束流实验期间提供了大量支持和宝贵建议。在此深表感谢！