欧洲核子研究中心CERN模板

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。1951年起,欧洲11个国家开始筹划成立欧洲核子研究中心CERN(European

Organization

for

Nuclear

Research),1954年9月CERN正式成立。CERN位于法国和瑞士交界处的日内瓦城附近,经过几十年的发展,现已有26个成员国,成为世界上最大的粒子物理研究中心。CERN的经费由各成员国分摊,所长由理事会任命,任期5年。CERN的研究人员达9000人,来自世界80多个国家的6000多名物理学家曾在此工作过。

CERN鸟瞰

CERN位于法国和瑞士交界处的日内瓦城附近

CERN的大科学装置群质子同步加速器PS1959年开始运行质子交叉储存环ISR1971年开始运行,1984年拆除超级质子同步加速器SPS1976年开始运行,1983年改造成质子-反质子对撞机SP`PS

反质子积累器AA、低能反质子环LEAR、反质子收集器AC、反质子减速器AD20世纪70年代建造

大型正负电子对撞机LEP1989年开始运行

大型强子对撞机LHC运行出了事故,重新开始运行

长基线中微子实验CNGS发送第一批中微子

直线正负电子对撞机CLIC与超导质子直线加速器SPL研制中(1)质子同步加速器PS建于20世纪50年代的质子同步加速器PS(Proton

Synchrotron),是CERN加速器中最老和用途最广的加速器。1959年调试完毕,从此连续运行。它的直径为200米,最高能量达GeV,一度是世界上功率最大的加速器。PS作适当修改后即可加速质子,又可加速电子或正电子。

PS隧道

PS示意图

(2)质子交叉储存环ISR质子对撞机ISR(Intersecting

Storage

Rings)使用交叉储存环,其能量为2×31

GeV,1971年投入运行,1984年拆除。

ISR的交叉储存环

(3)超级质子同步加速器SPS

超级质子同步加速器SPS(Super

Proton

Synchrotron)1971年开始建造,主加速器平均直径达2200米。1976年开始运行,能量输出300

GeV至450

GeV不等。它常被用来作质子－反质子对撞器,并为高能量电子及正电子加速。这些粒子最终被注入大型电子－正电子对撞器(LEP)。

SPS于1983年改造成能量分别为400GeV的质子-反质子对撞机SP`PS,质子和反质子可在这里加速到

270

GeV然后进行对撞,所得到的质心系能量相当于

155

TeV的静止靶加速器进行同类实验所能达到的能量。由于亮度高于同时期美国费米实验室的Tevatron-I,在竞争中占了上风。意大利物理学家鲁比亚在SP`PS上发现了Z0及W±中间玻色子,统一了弱相互作用和电磁相互作用,并为此获得1984年诺贝尔物理奖。

后,SPS为大型强子对撞机(LHC)注入中子及重离子。

SPS

隧道

SPS示意图

(4)反质子积累器AA、低能反质子环LEAR、反质子收集器AC、反质子减速器AD反质子积累器AA(Antiproton

Accumulator)是一台反质子源,建于20世纪70年代末。其主要任务是产生和积累高能反质子注入到SPS,以便将SPS改造成一台”质子反质子对撞机”。为了在低能时用这些反质子得到更大收获,CERN建造了一台低能反质子环LEAR(Low

Energy

Antiproton

Ring)。反质子从反质子积累环AA中积累后引出,在质子同步加速器PS中减速,然后注入到低能反质子环LEAR进一步减速(LEAR

1982年开始运行,1996年拆除)。

反质子收集器AC(Antiproton

Collector)建在反质子积累器AA附近,可将反质子的产生率提高10倍。

LEAR、AC和AA的示意图

低能反质子环LEAR

反质子收集器AC和反质子积累器AA环

后来反质子收集器AC改造为反质子减速器AD(Antiproton

Decelerator),它执行反质子收集器(AC)、反质子积累器(AA)、质子同步加速器(PS)和低能反质子环(LEAR)的任务,产生反质子,将其冷却、减速,最后将其引出提供给实验。

反质子减速器AD的实验大厅

反质子减速器AD示意图

(5)大型正负电子对撞机LEP20世纪80年代,为了在与美国建造正负电子对撞机的竞争中占上风,CERN开始动工建造大型正负电子对撞机LEP(Large

Electron

Positron

Collider),总投资6亿美元(由成员国共同承担)。LEP周长27公里,主环跨越法国和瑞士国界,占地36公顷,安装在地下50～175米的隧道中,隧道截面为半径1.9米的圆。LEP的主环上有488块36米长的二级铁、776块四极铁、504块六级铁、504块二级校正铁、有128个高频腔。对撞区采用8块超导四极铁。1989年8月13日实现首次对撞,正负电子的能量分别为50

GeV。LEP是由多级加速器串接而成,包括:LIL-EPA-PS-SPS-LEP,成为连续性的加速装置,使能量不断提高,每台机器将束流注入到下一台机器里,然后将束流加速到更高点的能量。

LEP示意图

直线加速器LIL(LEP

injector

Linac)引出的正电子注入正电子积累环EPA(Electron-Positron

Accumulator)后进行积累,达到足够强度后引出并与LIL引出的电子束一起注入PS加速后再注入SPS加速,最终注入LEP加速并实现对撞。

直线加速器LIL

正电子积累环EPA

LEP上有四个大型实验设施:ALEPH、DELPHI、L3和OPAL。中国参加了其中的ALEPH和L3实验及后续的L3C实验。

LEP的二期工程中,用256个超导腔逐步换下原有的128个高频腔,将正负电子能量分别提高到100

GeV,总对撞能量为200

GeV。

LEP二期的超导腔

(6)大型强子对撞机LHC,CERN决定拆除LEP原有的全部磁铁和设备,建造实现7.7

TeV能量的质子-质子的对撞的大型强子对撞机LHC(Large

Hadron

Collider)。总投资48亿1千9百万瑞士法郎(由美国、日本、俄罗斯、印度等国共同出资),LHC成为世界上最大的粒子加速器设施,21世纪前十多年中世界唯一的质子-质子对撞机,总撞击能量达

14

TeV,主要用于开展模拟宇宙大爆炸的实验,寻找理论上预见的物理现象。

LHC示意图

为节省经费,LHC将充分利用CERN现有的设备和设施,如27公里长的LEP隧道,粒子源和以前的加速器等。LHC采用了最先进的超导磁铁和加速器技术,加速器通道中主要放置两个质子束管。加速管由超导磁铁所包覆,管中的质子以相反的方向,环绕着整个环型加速器运行。

LHC利用原LEP的27公里周长的隧道,隧道直径三米,贯穿瑞士与法国边境

LHC示意图

在粒子进入主加速环之前,经过一系列加速设施逐级提升能量。由两个直线加速器引出的质子束流送入质子同步加速器PS后可达到25

GeV的能量,然后在超级质子同步加速器SPS中可将质子的能量提升到450

GeV。LHC主环上分布着约7000块磁铁,这些磁铁用液态氮气冷却到约1.9K的温度,已经接近绝对零度,磁铁上的线圈达到超导状态,以提供持续稳定的磁场。质子被加速至7

TeV进行对撞,总撞击能量达到14

TeV。LHC运行时对撞点上每秒钟发生至少6亿次粒子对撞,环上的不同对撞点建有CMS、ATLAS、LHCb、ALICE四个大型探测器,对撞产生的各种粒子被探测器测量、记录,并作物理分析。

LHC上的大型探测器示意图

(7)长基线中微子实验CNGS

从CERN将SPS加速器产生的高能中微子束流从地下发送到730公里以外的意大利Gran

Sasso国家实验室研究中微子振荡的实验称为CNGS(CERN

neutrinos

to

Gran

Sasso),包括西欧中心、中国和日本在内的12个国家的33个研究机构参加了此项目。项目总经费为7100万瑞士法郎,由几个成员国提供,其中意大利提供4860万瑞士法郎,其余由比利时、法国、德国、西班牙和瑞士提供。CERN束流仅包括m子型中微子。中微子很少与物质发生相互作用,因此,这些粒子能够经过不受干扰的地下到达距CERN

730公里的意大利Gran

Sasso实验室

。该实验室1987年成立后,国际合作组在此做过许多实验,现正准备安装探测CERN

和LNGS之间的m子-中微子产生的稀有的t中微子的探测器。CNGS项目在CERN建造一个新的中微子束流设备,不包括在LNGS建造探测器的工作,该设备于9月开始建造,发送第一批中微子。为完成CNGS项目,CERN将最大限度地利用现有的基础设施,向Gran

Sasso实验室方向产生强中微子束流。CERN现有的全部质子加速器都涉及产生CNGS束流:直线加速器LIL给增强器PSB提供50

MeV的质子,增强器PSB将质子加速到1.4

GeV,然后传输到质子同步加速器PS,质子的能量达到14

GeV,然后被引出并传输到超级质子同步加速器SPS。

从CERN发送中微子束流到意大利的Gran

Sasso

CERN发送中微子束流示意图

(8)正在进行的两项重大R&D计划CERN正在进行的两项重大R&D计划是紧凑型直线对撞机CLIC和超导质子直线加速器SPL。紧凑型直线对撞机CLIC(Compact

Linear

Collider)是更富于创新思想的方案,设计能量1TeV,采用双束加速方法:一个是常温、行波结构的主加速器,另一个是工作于3GeV能量的超导强流电子直线加速器,其电子束转换后产生微波,再输送到主加速器加速电子和正电子。此方案可省去几千支速调管、调制器和脉冲压缩装置。超导质子直线加速器SPL(Superconducting

Proton

Linac)是一个2.2

GeV的质子直线加速器,它将增加CERN原有高能加速器(PS、SPS、LHC)的性能,并满足未来中微子和离子束辐射物理实验的需要。

紧凑型直线对撞机CLIC示意图超导质子直线加速器SPL示意图

■

辉煌的成就1984年Carlo

Rubbia和Simon

Van

der

Meer因对导致发现弱相互作用的传递者场粒子W和Z的大项目所作出的决定性的贡献获得诺贝尔物理奖。该项目是在超级质子同步加速器SPS里让质子与反质子对撞,实验结果证实了弱力和电磁力的统一,即标准模型的弱电理论。

理论物理学家Georges

Charpak1968年创造了多丝正比室及其随后研制出的探测器,开创了电子探测粒子的新时代。因她的创造,特别是多丝正比室——探索物质最内部结构技术上的突破而获1992年诺贝尔物理奖。

CERN

还吸引了不少诺贝尔奖获得者前来工作。CERN

第一任所长Felix

Bloch和Edward

Mills

Purcell因开发出核磁精密测量的新方法和随后的发现获1952年诺贝尔物理奖。LEP加速器上L3实验的发言人丁肇中是1976年诺贝尔物理奖的获奖人之一,她与SLAC的Burt

Richter于1974年同时发现J/psi粒子。

LEP加速器上ALEPH实验的负责人,理论物理学家Jack

Steinberger因中微子束流方法和经过发现μ子中微子展现出轻子的二重态结构与Leon

Lederman和Mel

Schwartz共获1988年诺贝尔物理奖。1983年物理学家鲁比亚(Rubbia)和范德梅尔(Van

Der

Meer)在C