在欧洲核子研究中心(CERN)地下100米深处，大型强子对撞机(LHC)的质子束流正以接近光速的速度呼啸而过。当这些质子迎头对撞时，每一次撞击都会迸发出大量粒子。而到2030年前后，对撞机将升级为高亮度模式(HL-LHC)——届时每一次对撞产生的有效碰撞次数将从现在的几十次飙升到约200次。这好比一场原本只有几十人同时说话的嘈杂会议，突然挤进了两百人同时发言——探测器该如何分辨哪些粒子来自哪一次碰撞?
传统方法是“看位置”——根据粒子径迹的出发点判断它属于哪个碰撞顶点。但当碰撞如此密集时，不同碰撞产生的粒子轨迹在空间上高度重叠，仅靠位置信息已难以区分。北京大学物理学院孙小虎团队与合作单位另辟蹊径，从“时间”维度入手：如果能为每一个穿过探测器的粒子精确记录其到达时刻，哪怕两个粒子在空间上几乎重合，只要到达时间相差几十皮秒(1皮秒等于一万亿分之一秒)，就能被清晰区分开来。
历时五年，团队与国内外合作者共同为CMS实验研发并建造了新型“最小电离粒子时间探测器”(MTD)的桶部(BTL)。这相当于给CMS探测器装上了一个超高精度的“时间相机”——能够在粒子穿过的一瞬间，以30皮秒的精度记录下它的“时间戳”。30皮秒意味着什么?光在真空中30皮秒仅能传播9毫米——这个时间尺度之短，足以将200次重叠碰撞中产生的粒子按时间顺序分组“解码”。
然而，在探测器内部给这个“时间相机”找到安身之处并非易事。BTL探测器将被安装在CMS径迹探测器支撑桶内部一个仅有约40毫米厚的环形夹层中，覆盖面积达38平方米。这相当于在一个不到两指宽的缝隙里，铺设一个近半个篮球场大小的精密探测系统。团队采用模块化设计，将传感器、电子学、光纤、线缆和冷却系统全部集成在这一狭小空间内。探测器核心传感单元选用硅酸钇镥晶体配合硅光电倍增器——这种晶体光产额高、响应快、抗辐照能力强，并通过双端读出设计提升了时间响应的均匀性。经过反复的结构优化和束流测试验证，BTL探测器在运行初期可实现约30皮秒的时间分辨率，即使在高亮度运行超过十年、探测器受到严重辐照损伤后，仍能维持约60皮秒的分辨能力。
北京大学团队在传感器设计与束流测试中做出了重要贡献，同时主导了建造工艺优化与质量控制体系的设计与实现。北京大学是CMS官方设立的全球四个建造中心之一，牵头国内合作单位清华大学和北京航空航天大学共同承担了总探测器四分之一的建造份额。2026年6月18日，随着最后一批探测器整机运抵CERN，团队圆满完成了全部建造任务——高质量完成2731个传感器模块、1207个探测器模块和18个Tray整机的建造。目前，这批探测器已正式交付CMS国际合作实验，即将在HL-LHC上发挥关键作用。
北京大学物理学院冒亚军、班勇、李强、马宏骥、孙小虎等老师以及十余名博士生和博士后参与了该项目。彭靖、章立诚、张铭滔和王锦等博士生以及Claudio Quaranta博士后参与了传感器设计和优化，王锦主要设计并实现了质控系统，王锦和张明轩主导了探测器的建造、质控以及交付的全过程，李乐言、董振宇、林煜明、洪晨等以及李致源博士后参与了建造和质控，王锦、张明轩、李乐言和Claudio Quaranta博士后在束流测试和强磁场测试等工作中做出主要贡献。张明轩和Claudio Quaranta博士后分别担任合作组数据采集和刻度召集人。
团队受Physics Reports期刊邀请撰写了长篇综述《Precision timing detectors》(Physics Reports 1156 (2026) 1–39)，北京大学孙小虎研究员担任唯一通讯作者。该工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、核物理与核技术全国重点实验室以及国家青年人才项目等支持。此外，特别感谢北京海关及相关部门的大力支持，为本次大型国际合作研发建造探测器的进口免税事宜提供大量帮助，为本项目节约了百万量级的经费。
