欧洲核子研究中心(CERN).doc

1951年起，欧洲11个国家开始筹划成立欧洲核子研究中心CERN（EuropeanOrganizationforNuclearResearch），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PS 1959年开始运行质子交叉储存环ISR 1971年开始运行，1984年拆除超级质子同步加速器SPS 1976年开始运行，1983年改造成质子-反质子对撞机SPPS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 20世纪70年代建造大型正负电子对撞机LEP 1989年开始运行大型强子对撞机LHC 2008年运行出了事故，2009年重新开始运行长基线中微子实验CNGS 2005年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（ProtonSynchrotron），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（IntersectingStorageRings）使用交叉储存环，其能量为231GeV，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（SuperProtonSynchrotron）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300GeV至450GeV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SPPS，质子和反质子可在这里加速到270GeV然后进行对撞，所得到的质心系能量相当于155TeV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SPPS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。2007年后，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（AntiprotonAccumulator）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（LowEnergyAntiprotonRing）。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（LEAR1982年开始运行，1996年拆除）。反质子收集器AC（AntiprotonCollector）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（AntiprotonDecelerator），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（LargeElectronPositronCollider），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50175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50GeV。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（LEPinjectorLinac）引出的正电子注入正电子积累环EPA（Electron-PositronAccumulator）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EPALEP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100GeV，总对撞能量为200GeV。LEP二期的超导腔（6）大型强子对撞机LHC2001年，CERN决定拆除LEP原有的全部磁铁和设备，建造实现7.7TeV能量的质子-质子的对撞的大型强子对撞机LHC（LargeHadronCollider）。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14TeV，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25GeV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450GeV。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7TeV进行对撞，总撞击能量达到14TeV。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GranSasso国家实验室研究中微子振荡的实验称为CNGS（CERNneutrinostoGranSasso），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，这些粒子可以通过不受干扰的地下到达距CERN730公里的意大利GranSasso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2000年9月开始建造，2005年发送第一批中微子。为完成CNGS项目，CERN将最大限度地利用现有的基础设施，向GranSasso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50MeV的质子，增强器PSB将质子加速到1.4GeV，然后传输到质子同步加速器PS，质子的能量达到14GeV，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GranSassoCERN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（CompactLinearCollider）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（SuperconductingProtonLinac）是一个2.2GeV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CarloRubbia和SimonVanderMeer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GeorgesCharpak1968年发明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。因他的发明，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FelixBloch和EdwardMillsPurcell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，他与SLAC的BurtRichter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JackSteinberger因中微子束流方法和通过发现子中微子展现出轻子的二重态结构与LeonLederman和MelSchwartz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（VanDerMeer）在CERN的实验中发现W和