中国科学院高能物理研究所

1、 王贻芳中国科学院高能物理研究所 北京正负电子对撞机重大改进工程1Outline粒子物理实验简介北京正负电子对撞机和北京谱仪中国高能物理开展战略和BEPC 未来开展北京正负电子对撞机二期工程5. 为什么要研究高能物理？2什么是高能物理 ?高能物理是研究物质的根本结构及其相互作用的一门学科高能物理,又称粒子物理,是分子物理,原子物理,原子核物理的自然开展与深化高能物理要解决的根本问题: 构成物质世界的元素 元素周期表,夸克模型, 物质间的相互作用及其统一 电磁作用,弱作用,强作用,引力作用 根本粒子的性质 质量,磁矩,电荷,产生与衰变,混合, 宇宙学问题 宇宙质量与暗物质,物质与反物质,宇宙结构

2、, 3粒子物理中的标准模型物质由三代轻子与夸克构成:传递相互作用的粒子: 光子 电磁作用 W 和 Z 弱作用 胶子 强作用 量子色动力学 (QCD)质量起源 Higgs电弱统一理论4高能物理实验研究高能物理实验研究是物质结构研究的最前沿，主要工具是加速器和探测器。知识创新的热点，竞争剧烈。大量采用最先进的科学技术，有力推动高技术开展。物理实验研究的精确度 取决于两大因素：统计性事例数的多少, 即微观世界现象的统计误差，与事例数的平方根成反比。测量的精确度，即系统误差。 精确测量要求高统计性的数据和高性能的探测器。5高能物理研究对加速器和探测器的要求加速器 能量和亮度是两个主要的性能指标物理研究

3、得到的 事例率 = 亮度 反响截面。高统计性要求高亮度的加速器。亮度主要取决于加速器束流的强度和束团的大小。提高束流强度的主要技术手段是增加束团数目。采用两个储存环分别储存正负电子进行对撞是最正确方案。探测器，又叫谱仪，用强磁场和各种探测仪器将对撞点包起来，精确测量物理反响的次级粒子的种类，能量，运动方向等。主要性能要求有： 测量精确度 覆盖立体角的大小 能接受的事例率的上下，即适应加速器高亮度的能力6 多丝径迹室 电磁量能器 强子量能器 子室 7BESII 探测器 VC: xy = 100 m TOF: T = 180 ps counter: r= 3 cm MDC: xy = 200 m

4、BSC: E/E= 22 % z = 5.5 cm dE/dx= 8.4 % = 7.9 mr B field: 0.4 T p/p=1.8(1+p2) z = 2.3 cm Dead time/event: 10 ms厂8北京正负电子对撞机(BEPC)由电子直线注入器、储存环、 北京谱仪BES和北京同步辐射装置BSRF组成84年开工，88年如期建成，并迅速到达设计指标。BES 在 tau-charm 物理实验研究处于国际领先地位 BSRF是国内主要的同步光源,多学科交叉前沿研究的大型平台对撞物理：5个月；同步辐射：3个月；机器研究及启动：2个月10The BES CollaborationK

5、orea (3)Korea University Seoul National University Chonbuk National UniversityJapan (4)Nikow UniversityTokyo Institute of TechnologyMiyazaki UniversityKEKUSA (4)University of HawaiiUniversity of Texas at DallasColorado State University Stanford Linear Accelerator Center UK (1)Queen Mary UniversityCh

6、ina (15)IHEP of CASUniv. of Sci. and Tech. of ChinaShandong Univ., Zhejiang Univ.Huazhong Normal Univ. Shanghai Jiaotong Univ. Peking Univ., CCAST Wuhan Univ., Nankai Univ.Henan Normal Univ.Hunan Univ., Liaoning Univ. Tsinghua Univ., Sichuan Univ. 11BEPC推动了我国相关高科技产业的开展 谱仪：探测器技术，快电子学技术，计算机数据采集和分析技术等

7、加速器：高频与微波技术，高电压技术，超高真空技术，精密机械设计制造，计算机与自控技术，辐射防护技术等 同步辐射：光学，凝聚态物理，材料科学，生命科学，医学，地质矿产，化学化工，微电子和微细加工技术等 1986年开通我国第一条计算机国际通讯线路,90年代初引进WWW 网页.12 BES 主要物理结果 轻子质量精确测量：使 质量世界平均值改变了3s,，精度提高十倍，证明了轻子普适性。获1995年国家自然科学二等奖。2 - 5 GeV 强子 R 值精确测量: 将世界平均误差由 15 20% 降低到 6.6 % 衰变的系统研究。获2001年国家自然科学二等奖。 从 DS 的纯轻衰变道直接测量其衰变常数

8、 fDs 。第一次模型无关的直接测量衰变分支率 Br(DS )。国际权威的粒子数据表(PDG)引用了BES的116项成果。BES累计特邀报告74人次，发表论文216篇，其中BES合作组在国际一流刊物发表48篇。13BEPC 的未来开展八十年代初，中国高能物理学界抓住了机遇，选择了tau-charm能区，以较少的投入取得了巨大成功。自九十年代中期开始的中国高能物理开展未来方向的讨论达成如下共识： BEPC未来开展的物理窗口主要是 粲物理精确测量，并探索新物理现象BEPC在该能区的优势是世界上其它加速器无法代替的14粲物理实验研究出现剧烈国际竞争BES 的重大物理成果引起国际高能物理界对粲物理实验

9、研究的高度重视，成为新热点。美国康奈尔大学正负电子对撞机CESR 原运行在10GeV的B介子能区，看到粲物理实验研究的重大意义，方案安装多个超导扭摆磁铁,将能量降到 粲能区。预期亮度为(1.5 3)x1032cm-2s-1。俄罗斯新西伯利亚的VEPP-4M也有类似的方案。15BEPCII 的开展方案国际高能物理开展的两个前沿：高能量：寻找Higgs 粒子，检验标准模型和寻找新粒子。 高精度：高统计性和小系统误差的测量，检验标准模型。精确测量需要: - 高统计事例 高亮度加速器 + 高性能探测器 小系统误差 高性能探测器最正确选择是对加速器和探测器作重大改进(BEPCII / BESIII)，将

10、亮度增加100倍. 16BEPC II 储存环:国际先进的双环对撞技术e-RFRFSRe+IP17立项情况2002年7月,科学院评审通过了顶目建议书2002年9月,国家计委委托的中咨公司评审通过了顶目建议书2002年12月,国家计委批准顶目建议书2003年2月10日,国务院正式批准顶目建议书18BESIII 物理目标 精密测量CKM矩阵精确检验标准模型量子色动力学研究寻找胶球及其它新粒子BEPCII 有望在这些国际高能物理前沿研究中获得假设干原始创新性的重大成果。19粒子物理中的根本问题： 1寻找Higgs玻色子 LHC, Tevatron 2) 标准模型的检验 夸克模型, QCD,弱电统一理

11、论 3)* CKM矩阵 B工厂、BEPC、LHCb 4 MNS矩阵 长基线中微子及中微子工厂, KamLAND 5)* 标准模型之外？ 超对称模型、复合模型 、 Technicolor 20科学研究充满了不确定性北京谱仪上最重要的两项工作:质量与 R 值测量均非当年建造时的主要物理目标21BESIII 预期年事例率 Particle Energy (GeV) Luminosity (1033 cm2s 1)Event/year J/y 3.097 0.6 11010 y 3.686 1.0 3 109 D 3.77 1.0 3107 Ds 4.03 0.6 1106 Ds 4.14 0.6 2

12、10622 态混合： CKM矩阵MNS矩阵23BESIII CKM 矩阵测量精度目前精度BESIII 目标 Vub25%5%Vcd7%1%Vcs16%1%Vcb5%3%Vtd36%5%Vts39%5%24量子色动力学研究R 值测量束缚态 质量谱J/y, y 及连续区强子产生机制J/y, y 衰变中的重子谱低能下 as 测量 我们对非微扰QCD的了解极为有限25BESIII R值精确测量误差来源 BESII 结果 (%) BESIII 目标(%)亮度 2 - 3 1事例选择 3 - 4 1 - 2触发效率 0.5 0.5辐射修正 1 - 2 1强子产生模型 2 - 3 1 2统计误差 2.5 -

13、 总误差 6 7 2 - 326寻找胶球及其它新粒子寻找胶球寻找混合态寻找 1P1其它新粒子27介子 ( ): 重子 ( qqq ) : p(uud), n(udd), ( dds ) * 胶子球 (ggg) ？* 胶子、夸克混合态 ?* 多夸克态 ? Quark Model28BESIII 物理目标对探测器的要求精确测量带电粒子动量与方向精确测量中性粒子的能量与方向精确重建粒子不变质量鉴别不同粒子 (e, g, p, K, m, .) 适应多束团(93) 、高计数率(4000 Hz)29BESIII 探测器30主漂移室V形端面板设计, 分内外两个室, 以便安装超导Q铁, 减少本底。 - 径向

14、：6 cm to 81 cm， 内桶覆盖立体角 单元: 1.4 cm x 1.4 cm径向信号丝46层,单丝分辨130 m, 减少屡次散射：气体 He:C3H8 信号丝: 30 m镀金钨丝 动量分辨 (1GeV) : 0.5 % &1T1.2%.4TDE/dx 分辨: 6 - 7 %31电磁量能器 (EMC)为到达极高能量分辨,晶体量能器是唯一选择10000根 CsI晶体需要刻度修正至 1%将死区材料降至最小: 机械设计到达极限硅光二极管读出,电子学噪声需小于 1000 e32电子学读出系统流水线(Pipeline): 3.2 ms电磁量能器: 10000 道, 1000e 噪声飞行时间系统:

15、 500道, 25 ps m子室: 10000道, hit漂移室: 10000 道 charge: 8 bit, time: 0.5 ns33在线数据获取系统平均数据流: 50 Mb/s单个 VME 机箱数据流 3 Mb/s磁带写入事例率: 3000 Hz数据流比目前最大的 B-工厂还要高几倍34离线数据分析系统五年总数据量: 500 Tb所需 CPU: 50000 MIPS大型软件系统工程: 数据管理, MC模拟, 重建, 数据库, Grid computing, 与全国各大学联网35主要难点和挑战 控制辐射本底， 在高亮度下获取高质量数据。 设计、建造、安装调试、可靠地运行超导磁场。大型多

16、丝漂移室(30000丝)的建造及稳定、平安运行 机械、加工、气体、平安 晶体量能器(10000根)的设计、安装、调试和刻度 机械结构、温度控制、电子学、系统稳定性 到达TOF系统设计的时间分辨(80 ps) 大容量、高速数据获取与处理系统 (100 Mb/s)36BEPC 经费估算 (万元) 括号内为预期的国际合作奉献。序号项目名称总经费占总值一、直线加速器 46007.2%二、储存环2392037.4%三、探测器 21900（4000*）34.2%四、通用系统 900014.0%五、建安 5500.9%六、其他 10301.6%七、 不可预见费30004.7%合计64000(4000*)37

17、BEPCII 的国际国内合作上海光源: 500 MHz RF 系统 上海硅酸盐所：CsI 晶体北京大学：射频超导系统, m counter,离线软件清华大学：加速器技术, m counter山东大学: 离线软件中国科技大学：TOF, 电子学,离线软件台湾中央大学: 亮度监视器日本KEK: 超导高频腔和探测器超导磁铁美国BNL: 超导插入磁铁Hawaii大学/Washington大学: TOF, Be 管38为什么要研究高能物理1探索未知是人类前进的动力“它不能保卫我们的国家,但它使我们的国家值得保卫2根底研究是一切应用的根底 相对论, 量子力学, 原子核物理, 3研究的需要培育高科技市场, 促

18、进技术进步 WWW诞生于CERN4推动技术引进与人才培养，提高民族工业的水平39超导技术： 超导高频腔、超导磁铁真空技术： 250米真空管道, 10-9 托高频技术： 500MHz, 180kW 控制技术： 1ns 响应时间机械技术： 直径为1.6米的圆盘上打30000个孔, 精度50, 大量极为复杂的设备安装 (400t),精度 0.1-1 mm晶体技术： 20吨高纯度CsI发光晶体电子学技术：25ps, 15bit FADC, 500ENQ, 40000道大规模数据获取技术: 100Mbyte/s 磁铁技术粒子探测技术40 北京正负电子对撞机是我国科学技术开展的一个标志，代表着国内根底研究

19、的最高水平。 欢送报考高能物理研究生，参加BEPC重大改进工程的建造。41研 究 生 培 养 情 况中国科学院高能物理研究所42概 况高能物理研究所在1999年通过中国科学院进行的定位评估，明确我所以高能物理研究、先进加速器技术的研究与开发、先进射线技术及应用为主的综合性研究基地。主要开展高能物理、理论物理、宇宙线及高能天体物理、加速器物理与技术、核探测器与核电子学、同步辐射应用、核分析技术及应用、自由电子激光、辐射防护、计算机和网络的应用等研究。 2001年我所被进入了中国科学院知识创新二期工程。43 理论物理室是我国在中高能物理理论领域最具实力的研究队伍之一，在国外同行中也有相当地位和影响

20、；中科院核分析技术重点开放研究实验室，挂靠在我所和上海原子核所，它在中科院1992年的评估中获优秀评价，在1999年8月中科院根底局20个开放实验室的评估中，被评为优秀，排名第二；宇宙线及高能天体物理重点开放实验室于1997年4月被评为中科院开放实验室。理论室和上述两个开放实验室均于1999年进入院知识创新工程。44 我所拥有世界一流水平的大型高能物理实验装置和各类先进科研设备；有一大批活泼在国际高能物理前沿的高水平科研人员；与国内外许多知名大学、研究单位联系密切，并开展广泛的学术交流与科技合作。我所还参加了西欧核子研究中心LEP对撞机上 L3和ALEPH两个国际合作组的实验研究，参加研制了探

21、测器和强子量能器。最近，我所组织国内有关单位成功研制了阿尔法磁谱仪永磁体系统，并成功地经受了首次飞行的考验。45我所有完善的FDDI校园网和先进的计算机系统。1986年在国内率先进入国际计算机互联网，现装有国际和国内专用高速网络,与世界各高能物理研究中心进行计算机通讯和数据传输。46我所现有3个研究中心、6个研究室，1100余名职工，7名中科院院士、2名工程院院士、100余名研究员、270余名副研究员，这些都是我所的优势，为研究生培养创造了十分有利的条件。何泽慧院士方守贤院士张宗烨院士叶铭汉院士李惕碚院士冼鼎昌院士谢家麟院士唐孝威院士陈森玉院士47 研究生生活条件1、研究生助学金 硕士生第一年

22、在中国科学院研究生院(北京)集中上学位课期间，除国家规定发放助学金外，我所给每位研究生每月一定的补贴，目前每人平均每月发放生活费约800元900元左右，。第二年回所做学位论文时，每人平均每月发放生活费约1300-1600元以上。 博士生每人平均每月发放生活费1600-2000元以上。2、住宿条件 1997年我所优先拨出600余万元自有资金在本所大院内新建一幢研究生公寓，所有房间均有独立的卫生间，大大改善了研究生的住宿条件，1998年9月已投入使用，研究生每2人住一间。48衷心欢送有志于振兴科学事业的青年来我所攻读博士、硕士学位，同时也欢送毕业后到我所来工作，参加到高能物理研究行列，为祖国科学事

23、业的开展做出奉献。 网 页： E-mail: 联系 8823587649谢谢大家!50qGW2iyO&aqGW2ixN%9pFV1hxN%9pFV1hxN%9oEU0gwM$8oEU0gwM$8oEU0gvL!7nDT+fvL!7nDT+fvL!7mCS-euK#6mCS-euK#6mCS-dtJZ5lBR)dtJZ5lBR)dtJZ5kAQ(csIY4kAQ(csIY4kAQ(brHX3jzP*brHX3jzP*brHX2iyO&aqGW2iyO&aqGW2iyO&9pFV1hxN%9pFV1hxN%9pFV0gwM$8oEU0gwM$8oEU0gwM!7nDT+

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