（粒子物理与原子核物理专业论文）基于lcg的高能物理实验计算环境的实现与监测.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着人们对微观世界探索的不断深入，从二十世纪五十年代至今，大量 微观粒子在实验上被发现，并且人类发展出来了几乎可以解释我们当今所观测 到的一切微观现象的标准模型理论。然而，人们对于自然的探索并没有结束， 还有很多问题等待着我们去解决，例如，物质为什么会有质量，如何统一强作 用力与引力的相互作用。 预计2 0 0 7 年完工的欧洲核子中心( c e r n ) 的大型强子对撞机( l a r g e h a d r o nc o l l i d e r ，简称l h c ) 就是为了这些问题的解决而诞生的。然而l h c 要产生的数掘量极大，存储和分析这些数据成为一个巨大的挑战。 为了解决这一难题，人们引入一个全新的数据存储和处理的全球分白式 模型计算网格( c o m p u t i n gg r i d ) 来完成这个要求。而l c g ( l h c c o m p u t i n gg d d ) ，就是以专门为这些参与l h c 数据分析工作的高能物理科学 家们建造并维护一个数据存储和分析的平台为目的而建造的。 l c g 使用一个四级( f o u r - t i e r e d ) 的分布式模型来为l h c 上各实验提供 网格计算服务。主要包括位于c e r n 的一个t i e r - 0 ( 零级) 站点，分布于全球 的数十个t i e r - 1 ( 一级) 站点和数百个t i e r - 2 ( - - 级) 站点所组成。 分布式计算在l h c 中的应用，具有重大的意义。酋先，分布式计算，为 人们节省了大量开支，参加l h c 实验的全世界各研究单位以及国家组织负责投 资建设并维护其本地计算资源，这些计算资源除了各单位自身使用以外，还为 全球网格系统贡献计算资源。其次，在分布式系统中，某一点的失败或错误不 会对整体带来影响。 山东大学于1 9 9 8 年正式参加a t l a s 合作组，承担了4 0 0 台t g c 探测 器的研制任务，并于2 0 0 4 年底完工。从2 0 0 3 年开始，山东大学也在为将来的 数掘分析工作做准备。山东大学与中科院高能物理所、北京大学联合申请了国 家自然科学基会委的国家科研网络综合平台下的高能物理网格实验床系统的 建设项目。在这项资助下，我们建设了一个l c g 的二级站点s d u l c g 2 ， 使其加入到全球的l c g 网格体系中，并将a t l a s 实验数据分析所需的软件配 备到该站点中。 山东大学硕士学位论文 本论文描述了山东大学为将来的a t l a s 实验数据分析所做的前期准备 工作。包括：s d u - l c g 2 站点的建设，将a t l a s 离线分析软件配备到该站点 中的使其能够正常工作。 另外，本论文还包括利用加州理工大学的m o n a l i s a ( m o n i t o r i n g a g e n t su s i n gal a r g ei n t e g r a t e ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) 框架对s d u l c g 2 站 点进行的实时监测。m o n a l i s a 框架提供了一个优秀的图形监测界面，目l j i 该 框架已在欧美多个网格项目中普遍使用，而在中国大陆地区，这是第一个使用 该框架进行站点监测的实例。 关键词：高能物理，l h c ，a t l a s l c g ，m o n a l i s a v 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t f m19 5 0 st on o w a c c o m p a n i e db yt h ed e e pi n s i d ee x p l o r a t i o no ft h e m i c r o s t r u c t u r eo fo u rw o r l d at r u ep r o l i f e r a t i o no fp a r t i c l e se x p l o d e da n dn e w p ar t i c l e sw e r ef o u n do n ea f t e ra n o t h e r i nt h em e a nt i m e ，t h es t a n d a r dm o d e l ， w h i c hi saw e l l a c c e p t e dt h e o r y s e e m st ob ea b l et os o l v en e a r l ya l lt h e m i c r o s c o p i cp h e n o m e n a w a se s t a b l i s h e d b u t ，t h ee x p l o r a t i o na n dd i s c o v e r y w i l ln e v e rs t o p ，t h e r ea r es t i l ls o m em i r a c l e s ，s u c ha sw h yd of u n d a m e n t a l p a r t i c l e sh a v em a s s ，w o u l dt h eh i g g sm e c h a n i s mp r o c e s s e db yt h es t a n d a r d m o d e lb et h es o l u t i o no ft h i sp r o b l e m 。c o u l dt h es u p e r s y m m e t r yt h e o r yu n i f , t h es t r o n gf o r c ea n dg r a v i t y ，n e e d e dt ob es o l v e d t h el a r g eh a d r o nc o l l i d e r ( l h c ) w h i c hw i l lb et h eb i g g e s ta n d a c c e l e r a t ep a r t i c l e sb e a m st ob ec o l l i d e de a c ho t h e ra tt h eh i g h e s te n e r g y l e v e li nt h ew o d dd u et os w i t c ho ni n2 0 0 7 ，i sb r o u g h tt os o l v et h e s ep r o b l e m s a t l a s ( at o r o i d a ll h ca p p a r a t u s ) i so n eo ft h ef o u rm a j o re x p e r i m e n t so n t h el h c h o w e v e r 。t h el h cw i l lp r o d u c er o u g h l y15p e t a b y t e s ( 15m i l l i o n g i g a b ”e s ) o fd a t aa n n u a l l y ，w h i c ht h o u s a n d so fs c i e n t i s t sa r o u n dt h ew o r l d w i l la c c e s sa n da n a l y z e t h ea n a l y s i so ft h ed a t a ，i n c l u d i n gc o m p a n s o nw i t h t h e o r e t i c a ls i m u l a t i o n s r e q u i r e so ft h eo r d e ro f10 0 0 0 0c p u sa t 2 0 0 4 m e a s u r e so fp r o c e s s i n gp o w e r t os o l v et h e s e c h a l l e n g e s an o v e l g l o b a l l yd i s t r i b u t e dm o d e l f o rd a t as t o r a g ea n da n a l y s i s - ac o m p u t i n gg r i d 一w a sc h o s e nb e c a u s ei tp r o v i d e ss e v e r a lk e yb e n e f i t s i np a r t i c u l a r ：t h e s i g n i f i c a n tc o s t so fm a i n t a i n i n ga n du p g r a d i n gt h en e c e s s a r yr e s o u r c e sf o r s u c hac o m p u t i n gc h a l l e n g ea r em o r ee a s i l yh a n d l e di nad i s t r i b u t e d e n v i r o n m e n t w h e r ei n d i v i d u a li n s t i t u t e sa n dp a r t i c i p a t i n gn a t i o n a l o r g a n i z a t i o n sc a nf u n dl o c a lc o m p u t i n gr e s o u r c e sa n dr e t a i nr e s p o n s i b i l i t yf o r t h e s e ，w h i l es t i l lc o n t r i b u t i n gt ot h eg l o b a lg o a l i na d d i t i o n ，i nad i s t r i b u t e d s y s t e mt h e r ea r en os i n g l ep o i n t so ff a i l u r e m u l t i p l ec o p i e so fd a t aa n d a u t o m a t i cr e a s s i g n i n go fc o m p u t a t i o n a lt a s k st oa v a i l a b l er e s o u r c e se n s u r e s l o a db a l a n c i n go fr e s o u r c e sa n df a c i l i t a t e sa c c e s st ot h ed a t af o ra l lt h e s c i e n t i s t si n v o l v e d i n d e p e n d e n to fg e o g r a p h i c a ll o c a t i o n s p a n n i n ga l lt i m e z o n e sa l s of a c i l i t a t e sr o u n d t h e c l o c km o n i t o r i n ga n ds u p p o r t 山东大学硕士学位论文 t h em i s s i o no ft h el h c c o m p u t i n gg r i dp r o j e c t ( l c g ) i s t ob u i l da n d m a i n t a i na ni n f r a s t r u c t u r eo fd a t as t o r a g ea n da n a l y s i sf o rt h ee n t i r eh i g h - e n e r g yp h y s i c sc o m m u n i t yt h a tw i i iu s e t h el h c t h el c gp r o j e c tw i l l i m p l e m e n tag r i dt os u p p o r tt h ec o m p u t i n gm o d e l so ft h ee x p e r i m e n t su s i n ga d i s t r i b u t e df o u r - t i e r e dm o d e l ：o b et i e r - 0c e n t e ra tc e r n 。t e n so ft i e r - 1 c e n t e r sa n dh u n d r e d so ft i e r - 2c e n t e r sd i s t r i b u t e da l io v e rt h ew o r l d i n19 9 8 h i g he n e r g yp h y s i c sg r o u po fs h a n d o n gu n i v e r s i t yt o o kp a r t i nt h ea t l a sc o l l a b o r a t i o n w a sc h a r g e dw i t ht h ep r o d u c t i o no f4 0 0t g c d e t e c t o r s w h i c hw a sf i n i s h e di nt h ee n do f2 0 0 4 f r o m2 0 0 3 w es t a r t e dt h e p r e p a r a t i o nf o rt h ed a t aa n a l y s i so ft h ea t l a se x p e r i m e n t i n c l u d i n gt h e e s t a b l i s h m e n to fal c gt i e r - 2s i t e ( s d u l c g 2 ) a n dt h ei n t e g r a t i o no fa t l a s o f f l i n es o f t w a r ej n t ot h es d u l c g 2 t h i st h e s i sd e s c r i b e dt h ep r e p a r a t i o nw o r kf o rt h ed a t aa n a l y s i so f a t l a se x p e r i m e n t 。w h i c hi n c l u d e st h ei m p l e m e n t a t i o no fs d u l c g 2s i t e 。 a n dt h ee q u i p m e n to ft h ea t l a ss o f t w a r ei n t ot h es d u - l c g 2 i na d d i t i o n 。w ei m p l e m e n t e dar e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e mf o rt h e s d u - l c g 2s i t eb a s e do nm o n a l i s a ( m o n i t o r i n ga g e n t su s i n gal a r g e i n t e g r a t e ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) f r a m e w o r k ，w h i c hi sd e v e l o p e db y c a l i f o r n i ai n s t i t u t eo f t e c h n o l o g ya n di t sp a r t n e r sw i t ht h es u p p o r t o f t h eu s c m ss o f t w a r ea n dc o m p u t i n gp r o g r a m i ti st h ef i r s ti m p l e m e n t a t i o ni nc h i n a m a i n l a n do ft h em o n a l i s af r a m e w o r k ，w h i c hp r o v i d e sa ne x c e l l e n tg r a p h i c a l i n t e r a c t i v ei n t e r f a c e ，a n di sw i d e l yu s e di ns e v e r a lg r i dp r o j e c t s ( e g o s g l c g ) i ne u r o p ea n dn o r t ha m e r i c a k e yw o r d s ：h i g he n e r g yp h y s i c s l h c 。a t l a s ，l c g 。m o n a l i s a x 山东大学硕士学位论文 a c l a l i c e a o d a p l a p m o n a p t 一，z 月s c a c a s t o r c e c e r n e t c m s c n r s d b d c a c h e e d g e g e e e s d f t s g l i t e g r i d f t p g u i d h p s s j i n l - l u s l c f g l c g l f n l h c l h c b l s f 符号和简略词 a c c e s sc o n t m il i s t al a r g ei o nc o l l i d e re x p e r i m e n t ( l h ce x p e r i m e n t ) a n a l y s i so b j e c td a t a a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e s a p p l i c a t i o nm o n i t o r i n ga p i a d v a n c e dp a c k a g i n gt o o l at o r o i d a ll h ca p p a m t u s ( l h ce x p e r i m e n t ) c e r t i f i c a t i o na u t h o r i t y c e r na d v a n c e ds t o r a g em a n a g e r c o m p u t i n ge l e m e n t c h i n ae d u c a t i o na n dr e s e a m hn e t w o r k c o m p a c tm u o ns o l e n o i d ( l h ce x p e r i m e n o c e n t r en a t i o n a ld el ar e c h e r c h es c i e n t i f i q u e ，法国国家科学研究院 b e r k l e yd a t a b a s ei n f o r m a t i o ni n d e x h i e r a c h i c a ls t o r a g em a n a g e r ( d e s y f n a l ) e u m p e a nd a t ag r i dp r o j e c t e n a b l i n gg r i d sf o re s c i e n c e e v e n ts u m m a r yd a t a f i l et r a n s f e rs e r v i c e l i g h t w e i g h tm i d d l e w a r ef o rg r i dc o m p u t i n g g r i ds e r v i c ef o rf i l et r a n s f e r g l o b a l l yu n i q u ei d e n t i f i e r h i g hp e r f o r m a n c es t o r a g es y s t e m j i n i - l o o k u pd i s c o v e r ys e r v i c e s l o c a lc o n f i g u r a t i o ns y s t e m l h cc o m p u t i n gg r i d l o g i c a lf i l en a m e l a r g eh a d r o nc o l l i d e r l a r g eh a d r o nc o l l i d e rb e a u t ye x p e r i m e n t l o a ds h a r i n gf a c i l i t y x l 山东大学硕士学位论文 m o nr g m am o n i t o r i n gb o x m o n a l i s a m o n i t o r i n ga g e n t su s i n gal a r g ei n t e g r a t e ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e m s sm a s ss t o r a g es y s t e m n t pn e t w o r kt i m ep r o t o c o l o g s a o p e ng r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r a o g s i o p e ng r i ds e r v i c e si n f r a s t r u c t u r e o s g o p e ns c i e n c eg r j d p b1 p b = 1 0 2 4 t b 1 t b = 1 0 2 4 m b p b sp o r t a b l eb a t c hs y s t e m p o o lp o o lo fp e r s i s t e n to b j e c t sf o rl h c p o s i xp o r t a b l eo p e r a t i n gs y s t e mi n t e r f a c e p x p r o x ys e r v e r q c dq u a n t u mc h r o m o d y n a m i c s q e dq u a n t u me l e c t r o d y n a m i c e r b r e s o u r c eb r o k e r f i t sr e l i a b l ef i l et r a n s f e rs e r v i c e s d ks o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t s s e s t o r a g ee l e m e n t s l cs c i e n t i f i cl i n u xc e r n s l fs c i e n t i f i cl i n u xf e r m i s o as e n i c e 0 r i e n t e da r c h i t e c t u r e s r m s t o r a g er e s o u r c em a n a g e r s r u l s t o r a g eu n i q u er e s o u r c el o c a t o r s u s y s u p e r - s y m m e t r yt h e o r y u lu s e rj n t e r f a c e v 0 v i r t u a l0 r g a n i z a t i o n v o m s v i r t u a lo r g a n i z a t i o nm a n a g e m e n ts e r v i c e s w nw o r k e rn o d e y a i my e ta n o t h e rl n s t a l l a t i o nm e t h o df o rl c g x 山东大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名乏主堑- 日期：j 坐名 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名坦：导师签名：每丐、韭日期：竺：星兰 山东人学硕士学位论文 1 1 背景简介 第一章 己i 旨 j1 日 随着人们对微观世界探索的不断深入，从二十世纪五十年代至今，大量 微观粒子在实验上被发现，并且人类发展出来的标准模型理论这个被当今 粒子物理界普遍接受的理论似乎可以解释我们当今所观测到的一切微观现 象。然而，人们对了：自然的探索并没有结束，还有很多问题等待着我们去解 决比如，物质为什么会有质量，标准模型所预言的h i g g s 场是否是这个问题 的解释? 物质的四种作用中，弱电已统一，然向强作用力与引力能否统一，超 对称理论( s u s y ) 是否能完成这项任务? 预计2 0 0 7 年完工的欧洲核子中心( c e r n ) 的大型强子对撞机( l a r g e h a d r o nc o l l i d e r ，简称l h c ) 就是为了这些问题的解决而诞生的。届时，它将 成为当前世界上能量最高，规模最大的粒子加速器。a t l a s ( at o r o i d a ll h c a p p a r a t u s ) 是l h c 上要进行的4 个主要实验中的一个。 然而l h c 要产生的数据量极大，每年将会产生1 5 p b ( 1 5 ，0 0 0 g b ) 的 数据，以2 0 0 4 年计算机处理器技术所能达到的运算能力来看，需要几十万块 中央处理器才能完成其分析工作，全世界几千名科学家将会加入到这些数据的 分析工作中束。因此，存储和分析这些数据成为一个巨大的挑战。 为了解决这个难题，人们引入一个全新的数据存储和处理的全球分布式 模型计算网格( c o m p u t i n gg r i d ) 来完成这个要求。而l c g ( l h c c o m p u t i n gg r i d ) ，就是以专门为这些参与l h c 数据分析工作的岛能物理科学 家们建造并维护一个数据存储和分析的平台为目的而建造的。 l c g 使用一个四级( f o u r - t i e r e d ) 的分布式模型来为l h c 上备实验提供 蚓格计算服务。主要包括位于c e r n 的一个t i e r - 0 ( 零级) 站点，分布于全球 的数十个t i e r - 1 ( 一级) 站点和数百个t i e r 一2 ( _ 级) 站点所组成。 山东人学硕士学位论文 分布式计算在l h c 中的应用，具有重人的意义。首先，分布式计算，为 人们节省了大量开支，参加l h c 实验的全世界各研究单位以及国家组织负责投 资建设并维护其本地计算资源，这些计算资源除了各单位自身使用以外还为 全球网格系统贞献计算资源。其次，在分布式系统中，某一点的失败或错误不 会对整体带来影响。这是因为，在分布式系统中，数据部具有多个备份，并 且，计算任务会被自动重新分配至其它可用的计算资源中去处理，这样就可 以确保计算资源的负荷平衡，并且能够使得所有参与l h c 的物理学家可以吏徉 易的得到数据向不必考虑其地理位置。 山东大学于1 9 9 8 年正式参加a t l a s 合作组，承担了4 0 0 台t g c 探测 器的研制任务，前于2 0 0 4 年底完t 。从2 0 0 3 年开始。山东大学也存为将来的 数据分析工作做准备，建设了一个l c g 的二级站点s d u - l c g 2 ，并为该站点 配备了所需的实验计算环境。 1 2 论文内容和意义 为了与国际接轨并为下一步山东大学高能物理组将要参与的a t l a s 物理分析做准备，山东大学与中科院商能物理所、北京大学联合申请了国家自 然科学基金委的国家科研网络综合平台下的高能物理网格实验床系统的建 设项目。在该项目的资助下，我们成功的建设了一个l c g 的二级站点s d u l c g 2 。使其加入到了全球的l c g 网格体系中，并将a t l a s 实验数据分折所 需的软件成功的配备到该站点中。圈1 1 是从g o c ( g r i do p e r a t i o nc e n t e r ) 中监视到的我们的站点。 罔11g o c 中查看s d u l c g 2 的状态信息 一2 山东人学硕士学位论文 括 本论文的内容，即是描述作者本人在该项目中所做的工作。内容主要包 详细描述了s d u l c g 2 的建设过程，包括所做的准备工作，采用的 方法，以及具体实施中的技术细节。 对所建立的s d u l c g 2 站点进行了较全面的测试，详细的描述并总 结了整个测试过程，给出了测试所需的方法与材科，以及对该站点 的测试结果。 在s d u l c g 2 中配备了a t l a s 实验所需的软r i ：环境，描述亓总结 了此工作所用到的工具、方法、技术细节等，并给出了测试方法及 测试结果。 以一个实例讲解如何在s d u - l c g 2 上进行a t l a s 物理分析工作， 给出方法、步骤及实例的输出结果。同时，该实例也是该站点能够 很好的为下一步的物理分析工作服务的有力证明。 将作者本人在美国学习期间所使用的m o n a l i s a 监测框架引入到 s d u l c g 2 的站点监测中，介绍了该框架，详细描述并总结了此监 测实施中的技术方法，并给出了部分监测结果。 由于列格计算是近几年来才发展起来的一项新技术，而l c g 又是例格技 术的首次大规模、伞球化的实际运用，同时网格技术在中国又处于起步阶段， 因此，本论文的工作具有开创性意义： 首先，本论文的工作所建立的山东大学l c g 站点( s d u l c g 2 ) 是中同 国内第一批完全建成，且已加入到全球网格系统中。同时义已经得到实际应用 ( 高能物理实验物理分析) 的站点之。 其次，我们是在阅读并参照了大量国外技术资料的基础上，通过我们的 努力克服了各种技术难题，才完成了这项工作。同时，奉论文在写作上，尽量 详尽的描述并总结了该工作的具体技术细节。凶此，本论文总结了人量的实践 经验，为将来的工作提供了第一手的、实战的、开拓性的、详尽的技术资料。 再次，本论文工作的目的，是为山东人学高能物理课题组下一步所要进 行的a t l a s 物理分析工作做准备。我们已很好的建立起来了s d u l c g 2 站 - 3 山东大学硕士学位论文 点，该站点已正式投入使用，且运转正常，达到了我们所预期的日的，为下一 步的物理分析工作奠定了坚实的基础。 最后，本论文开拓性的采用m o n a l i s a 框架对s d u l c g 2 进行站点监 测，是国内首次对该监测框架的应用。 本论文共分为六章。第一章介绍了本论文背景及意义。第二章介绍了粒 子物理和网格计算的相关背景与理论知识。第三章介绍了l c g 项目。第四章足 本论文的中心详细描述，t 总结了s d u l c g 2 的建设及相关技术细节，描述了 该站点的测试方法和过程，并给出了测试结果；叙述了在该站点中配置a t l a s 数据处理环境的过程、方 法及检测结果：最后以一个实例讲解如何在s d u l c g 2 上进行a t l a s 物理分析工作，并给出该实例的输出结果。第五章首先介 绍了m o n a l i s a 框架，然后叙述了我们使用该框架对s d u - l c g 2 进行监测的 设计思路和具体实施过程，最后给出监测的结果。 一4 - 山东人学硕士学位论文 第二章粒子物理与网格计算 本章将介绍粒子物理的理论与实验相关知识，同时将介绍网 格计算的相关理论知识。这些背景知识都是我们在进行本论 文工作之前所必须了解的 2 1 粒子物理 两千多年来，人们一直在探索物质的基本组成。然而，直到一百年前电 子的发现，才使得粒子物理成为了一门独立的学科。在接下来的五十年里，新 的粒子种接一种地被人们发现。当然，主要是通过宇宙线实验得到的，因为 当时宇宙线是人们所能利用的唯一的高能柱子来源1 1 嗣。这些发现，极大地刺激 了人们的探索欲望，从1 9 5 0 年开始，高能加速器的出现带动了粒子物理学的 迅猛发展。高能加速器能够提供具有确定的能量、密集且可控制的束流，从而 揭示了物质的夸克结构，并为粒子物理学的发展奠定了坚实的基础。 2 1 1 粒子物理的发展 早在公元前5 0 0 多年，古希腊人就开始了对物质基本组成的思索【3 j 例 如，德渡克利特( 4 6 0 - 3 7 0b ，c ) 认为，宇宙是由真空和几乎无限多不可见的 粒子所组成，这些粒子彼此在形状位置和分布上都不j 一，并称这些粒子为原子 嘲。 然而，在之后的诸多世纪里，却很少有大的发展。直到公元十五世纪 末、十六世纪初，哥白尼( 1 4 7 3 1 5 4 3a d ) 和其他伟大的思想家开始抛弁古 希腊的假想，转而认为，只有实事求是的实验和观测，才是探索物质世界的根 本途径，科学的理论要经过严格地测试才能被接受，从而结束了科学认知的旧 时代，开始了新的科学革命。 - 5 山东大学硕士学位论文 从十六世纪中叶到十九世纪末，这是哥白尼所领导的新科学革命以及经 典力学发展的时期。这一时期，涌现出一大批为我们所熟知的伟大科学家，他 们所做的工作，为二十世纪粒子物理学的迅猛发展奠定了坚实的基础。 在二十世纪初，科学家们相信他们了解的基本自然法则。原子是构成物 质的基本要素，人们相信牛顿运动定律，大部分的物理问题看似解决了，但 是，从爱因斯坦的相对论取代牛顿力学开始，科学家们渐渐了解到他们所知道 的还很不完整，尤其是量子力学领域的发展，使得之前基本的物理法则近乎完 全的改变了。 1 9 0 0 年到1 9 3 0 年，是量子力学和狭义相对论诞生的三十年，并于当时 认为有三种基本粒子：质子、电子、光子。这期问，普朗克提出了辐射的晕子 化，爱因斯坦提出了光的波粒二相性，德布罗依推断物质也具有波动性，薛定 谔发展了波动力学，海森堡陈述了测不准原理，l j 时，爱因斯坦提出了狭义相 对论，而狄拉克义结合量子力学与狭义相对论给出了电子的狄拉克方程，并于 1 9 3 1 年预言了正电子的存在。 从1 9 5 3 年开始，新发现的粒子急剧增加。图2 1 是1 8 9 8 年一1 9 6 4 年 发现的粒子，图2 2 是1 9 6 5 年- - 2 0 0 0 年发现的粒子。 卜“节卜十叫 l_ 卜_ 萝寸州rr- 工x 2 l j l j j i j j j ，l l l 。毽：；砖：；盘一 1 f 陶21 ：1 8 9 8 年一1 9 6 4 年发现的粒子 1 芦l 耸山糕丢一 。7 。二j ；v k d t 等擎 1 夸4 上单一 二i i 由于无数的新粒子被发现，物理学家们了解到之前认为物质是由质子、 中子和电子这三种基本粒子组成的这个理论无法对其作出解释。在二十世纪六 十年代中期，吉曼和兹威革的夸克理论解决了这个问题，经过之后三十年的发 展，这个理论现在被称为粒子和作用力的标准模型，由于新的粒子加速器所提 供的新的证据对该理论的支持，使其被越来越多的人所认同 标准模型理论能够解释世界是什么，以及使世界凝聚在一起的又是什么 的问题。标准模型认为，所有的己知物质粒子都是由夸克和轻子所构成，它们 6 一 山东人学硕士学位论文 藉由交换载力粒子相互作用，包含：6 种夸克，6 种轻子，载力粒子。盘图2 3 所示。 n a m e f 蛋7 呶”4 啭 舒酬一一瞳史= ：= 盼 t h e t h r e e g e n e r a t i o n s o f m a t t e rf o r c e c a r r i e r s f e r m i o n *v e 茁_ b o s o r m 圜圜圜冀圄 圜d 一- - l 囵羹囵 圜圄圜鬟鐾圜圄园羹西 e l e c t r o m a g n e t i c i n t e 恺c t i o n s s t r o n g i n t e r a c t i o n s k i n t e r a c t i o n s 图2 3 ：基本粒子表 除了摇述轻子和夸克的性质以外，标准模犁还描述了这螳基本粒子运动 及相互作用规律的基奉理论，它包括两个部分：一部分是关于电磁作_ 竹j 和弱作 用的统一理论，即g l a s h o w - w e i n b e r g s a l a m 弱电统一理论，该理论又分为描 述电磁相互作用的基本理论量子电动力学( q e d ) ；另一部分是描述弱相互 作用的理论，以及揭示夸克内禀性质及其强相互作用规律的理论量子色动 力学( g o d ) 。表1 1 给出了四种相互作用力的膳性。 电弱统一理论的基本思想足：根据电磁力和弱力的一些相通之处，将同 位旋空问中的定域s v ( 2 ) 。对称性和超荷空间中的定域u o ) ，对称性结合起来， 让弱作用和电磁作用统一由s u ( 2 ) 。固u o ) ，规范场传递。通过引入对称性自发 破缺的希格斯机制，使对称性s u ( 2 ) 。0 ( ，( 1 ) ，定域规范不变性破缺到只剩下一 个刘应电荷的u ( 1 ) y f i 变性。破缺掉的对称性所对应的三个规范场分量则获得质 量，成为中日j 玻色子w + 、广，和z o 。剩下的u ( 1 ) y 对称性对应的电磁场分量仍 无质量，表明足光子 7 - 墨。埘u - 山东人学硕士学位论文 桐互作片强楠互作用 电磁干| 1 互作甩 弱相点作用引力桐互作用 作用强度 1 0 1 0 21 0 ) j 1 0 一 2 作用力程 短程长褥短程 长程 ( r n ) 一1 0 。1 5 1 旷” 传递耆i 蹬子抽)光子( )中阃玻色予( w 2 丘掣) 引力于( g ) 质盈( ，)= 0从= 0 “= 8 n 4 g e l ， 坫= 0 m z 29 l ，2 0 e r 自旋乍# f j 9 l 一l 一 lr 参与者强了蠕于 f 电轻了强了，轻了 所镌物质 理t 仑攒述盈予色动力学 盈予电动力学盈子味动力擘儿倒动力学 ( q c d ) ( q e d l q f d ) ( 广义棚对论) 表1 1 ：四种相互作用力 描述今克之日j 强相互作用的动力学理论一量子色动力学( q c d ) 是一种 具有严格色s u ( 3 ) 定域规范对称性的非阿贝尔( a b e l ) 理论。量子色动力学中的 “色荷”，相当于电磁相互作用中的电荷。因为在夸克模型的发展中人们发 现，必须给每种夸克加上“红”、“绿”、“蓝”三种“颜色”标志，否则在 构造某些强子( 参与强相互作用的粒子) 时违背量子力学中的泡利不相容原 理。强作用力的载体足胶子，将色荷与电荷类比，量子色动力学与量子电动力 学不同，胶子也带有色，这一点导致强相互作用力的“渐进自由”性质，即两 个带色的粒子间的相互作用力随着它们之间的距离的缩短而减小，以致这些粒 子几乎像不受力的自由粒子一样。相反，它们之问分得越开，其相瓦作用就越 强。一旦它们之间的距离达到强了的尺度1 0 1 3 0 m ，强相互作用力就会变的非 常人，这种现象叫做“红外奴役”利用强作用力的这种性质町以解释带色的 夸克和胶子为什么总是被禁闭在强子的内部。 标准模犁是个很好的理论，实验已经证实了它的预测是令人难以置信的 精确，且所有用理论预测出的粒子大都已经被发现了，但它并非能够解决我们 的全部疑问。例如，万有引力并不包括在标准模型之中。 2 1 2 大型强子对撞机l h c 大型强子对撞机( l a r g eh a d r o nc o l l i d e r ，简称l h c ) 嘲是目前世界上正 在建没的体积和功率最人的粒子加速器，属丁欧洲核子中心( c e r n ) 粒子物 理实验室。位于日内瓦以西，法国与瑞上交界的侏罗山脚下8 0 多米深的地下 一8 一 山东大学硕士学位论文 整个l h c 环形加速器的隧道长达2 7 公里嘲，步行绕其一周需要4 个多小时町 以将百慕大、摩纳哥和4 个梵蒂冈城放入环形加速器所围的面积中。 l h c 始建于1 9 9 9 年，总造价2 2 1 7 亿欧元，约合2 5 亿美元n 由全世界 各国家共同筹资建造，将是2 1 世纪乃至更长一段时间内世界上唯一的超高能强 子对撞机。为了降低成本，欧洲核子中心决定不再开掘新的地下隧道，而是对 先前的大型正负电子对撞机进行彻底改造，用强子对撞机所