欧美高能物理的竞争市公开课一等奖百校联赛特等奖课件

CERNvsFermilab小组组员：151609胡力元151614许升汇报人：胡力元第1页（一）什么是高能物理？高能物理(HEP)是一门大科学，与其它纯理论研究相比较，它花费可谓巨大。高能物理学，即粒子物理学，是研究组成物质和射线基本粒子以及它们之间相互作用物理学一个分支。因为许多基本粒子在大自然在普通条件下不存在或不单独出现，物理学家只有使用粒子加速器在高能相撞条件下才能生产和研究它们，所以粒子物理学也被称为高能物理学。高能物理研究主要工具是加速器，尤其是对撞机，让反向旋转粒子束流在对撞机中对撞。第2页

科学家们发觉宇宙中任何物质都是由基本粒子组成，其中一些粒子是稳定，形成正常物质。另一些粒子生存极短时间，然后衰变成稳定粒子，全部这些粒子在宇宙大爆炸后共存瞬间。

物理学家们努力探讨物质组成，以及是什么力把其组合在一起。粒子极端微小。要能探测到和研究它们，需要专门工具，这些工具就是加速器。它们能将粒子加速到很高能量，然后让它们对撞，产生其它粒子。在粒子发生对撞地方，科学家们建起了大型探测器，能够观察和研究这些对撞，物理学家们可发觉粒子组成或创造新粒子，以揭示它们之间相互作用性质。第3页盖尔曼-西岛粒子表（20世纪60年代）摘自《费曼物理学讲义》（卷1）第4页(二)CERN和FERMILAB简单介绍<1>欧洲核子研究中心（EuropeanOrganizationforNuclearResearch,CERN）

欧洲核子研究中心（CERN）是世界上最大粒子物理研中心。

CERN成立于1954年，位于瑞士和法国边境，为欧洲第一个联合科研机构，主要为物理学家们提供必要研究工具，即加速器和探测器。它建有世界上最大正负电子对撞机LEP（LargeElectron-Positroncollider）和超级质子同时加速器SPS(SuperProtonSynchrotron)，加速器将粒子几乎加速到光速，用探测器来探测粒子。CERN还开展了中微子发送到意大利GranSasso研究项目CNGS，意在研究中微子振荡。第5页CERN现有20个组员国，雇用近3000人。他们是专业广泛代表，包含：物理学家、工程师、技术员、管理人员、工人等。世界上粒子物理学家有约6500人曾到CERN访问，从事研究工作，他们代表了500所大学和80多个民族。

CERN自成立以来已经取得了许多主要发觉，取得了多项著名奖项，包含诺贝尔奖。CERN同时也是环球网WWW(WorldWideWeb)发源地，环球网是为改进和加速在世界上不一样大学和研究所工作物理学家们之间信息共享而开发出来，而现在它学术和商业用户已达千百万。CERN加速器和探测器采取是最先进技术，CERN与工业部门亲密合作使双方受益。相关领域附带发展现已融入人们生活中，包含癌症治疗、医学和工业成像、辐射处理、电子学、测量仪器、新加工工艺和新材料以及国际网络，而这些只不过是在CERN粒子物理研究中开发出来许多技术中一部份。技术转让已经成为CERN开展基础研究这一主要任务不可缺乏一部分。第6页成为国际最大核子研究中心数十年来，CERN先后建成质子同时盘旋加速器、质子同时加速器PS、交叉储存环（ISR）、超级质子同时加速器（SPS）、质子直线加速器（Linac2）、重离子直线加速器（Linac3）、大型正负电子对撞机（LEP）、大型强子对撞机LHC等大科学装置，形成了含有强竞争力大科学装置群，吸引全世界一流科学家到CERN开展研究，在粒子物理研究等领域取得了举世瞩目标结果，CERN从而成为名副其实国际上最大核子研究中心。第7页CERN鸟瞰第8页<2>费米国家试验室（NationalAcceleratorLaboratory，Fermilab）美国费米国家加速器试验室原名为国家加速器试验室（NationalAcceleratorLaboratory），依据美国总统林顿·约翰逊1967年11月21日签署法案建立，由当初美国原子能委员会AEC负责管理。创建该所R·威尔逊（RobertR.Wilson）所长为该所建立严格标准是：出色科学、艺术瑰丽、土地守护神、经费上精打细算和机会均等。美国原子能委员会AEC从200多个提议中，选择美国中部伊利诺伊州芝加哥市以西30英里处韦斯顿（Weston）巴达维亚（Batavia）作为费米试验室建设地点。费米试验室所占6800英亩场地原为农田，原有一些谷仓至今仍在使用，有用作仓库，有用于社交活动。

第9页恩里克·费米（EnricaFermi）第10页1974年，美国国会撤消原子能委员会AEC，成立了核管理委员会NRC与能源研究与开发局ERDA。1977年，美国国会组建了能源部DOE，ERDA并入DOE。费米试验室归属DOE，由美国大学研究协会URA（UniversitiesResearchAssociation）负责运作。

第11页费米试验室是美国最大高能物理研究试验室，在世界上仅次于欧洲核子研究中心CERN。费米试验室目标是探索自然界最微小部分——存在于原子中世界，了解宇宙是怎样形成和运转，提升人类对物质和能量基本属性了解。为开展高能物理前沿和相关学科研究，费米试验室建造和运行高能物理学家需要进行前沿研究设施，并为未来试验开发新加速器技术。费米试验室拥有2100多名雇员，年度预算为3.07亿美元。来自美国和世界各地高校和试验室约2500个科研用户在费米试验室开展它们研究。几十年来费米试验室取得了多项研究结果，并带动了相关技术发展。第12页第13页

丰硕结果建成世界上最大质子反质子对撞机加速器预制研究含有独创性超导磁铁研究、设计与开发探测器开发高性能计算医用加速器第14页（三）竞争（1）20世纪50~60年代——开始运作1954年，CERN成立；50年代，CERN质子同时加速器(PS)；1959年，CERNPS调试完成，从此连续运行。1967年，FERMILAB成立。1968年12月1日，FERMILAB直线加速器破土开工；1969年10月3日FERMILAB主环（200GeV质子加速器）破土开工。第15页CERN质子同时加速器(PS)建于20世纪50年代质子同时加速器PS（ProtonSynchrotron），是CERN加速器中最老和用途最广加速器。1959年调试完成，从此连续运行。它直径为200米，最高能量达GeV，一度是世界上功率最大加速器。PS作适当修改后即可加速质子，又可加速电子或正电子。第16页（2）20世纪70~80年代——各有千秋1971年，CERN质子对撞机ISR（IntersectingStorageRings）投入运行，1984年拆除；1971年，CERN超级质子同时加速器SPS（SuperProtonSynchrotron）开始建造，1976年投入运行；1972年3月1日,第一个能量为200GeV束流经过主环，使FERMILAB产生了世界上最高能量粒子。1973年，CERNGargamelle气泡室发觉了中性流。1974年，CERNLEP加速器上L3试验讲话人丁肇中是1976年诺贝尔物理奖获奖人之一，他与美国SLACBurtRichter于同时发觉J/psi粒子。1977年6月30日，FERMILAB宣告发觉底夸克；20世纪80年代，CERN大型正负电子对撞机LEP（LargeElectronPositronCollider）开工，1989年8月13日实现首次对撞。第17页1983年物理学家鲁比亚（Rubbia）和范德梅尔（VanDerMeer）在CERN试验中发觉W±和Z0粒子，统一了弱相互作用和电磁相互作用，取得了1984年诺贝尔物理奖。CERNLEP加速器上ALEPH试验责任人，理论物理学家JackSteinberger因中微子束流方法和经过发觉μ子中微子展现出轻子二重态结构与FERMILABLeonLederman和MelSchwartz共获1988年诺贝尔物理奖。卡洛·鲁比亚范德梅尔JackSteinberger第18页1986年，FERMILABStanleyLivingston取得EnricoFermi奖；1984年12月，FERMILABRobertR.Wilson取得EnricoFermi奖；第19页CERNpp对撞机（ISR）质子对撞机ISR（IntersectingStorageRings）使用交叉储存环，其能量为2×31GeV。ISR交叉储存环第20页CERN超级质子同时加速器(SPS)超级质子同时加速器SPS（SuperProtonSynchrotron），主加速器平均直径达2200米。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质子-反质子对撞机SP`PS，质子和反质子可在这里加速到270GeV然后进行对撞，所得到质心系能量相当于155TeV静止靶加速器进行同类试验所能到达能量。因为亮度高于同时期美国费米试验室Tevatron-I，在竞争中占了上风。意大利物理学家鲁比亚在SP`PS上发觉了Z0及W±中间玻色子，并为此取得1984年诺贝尔物理奖。年后，SPS为大型强子对撞机（LHC）注入中子及重离子。第21页SPS隧道

SPS示意图第22页CERN大型正负电子对撞机(LEP)20世纪80年代，为了在与美国建造正负电子对撞机竞争中占上风，CERN开始开工建造大型正负电子对撞机LEP（LargeElectronPositronCollider），总投资6亿美元（由组员国共同负担）。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米隧道中，隧道截面为半径1.9米圆。LEP主环上有488块36米长二级铁、776块四极铁、504块六级铁、504块二级校正铁、有128个高频腔。对撞区采取8块超导四极铁。1989年8月13日实现首次对撞，正负电子能量分别为50GeV。LEP是由多级加速器串接而成，包含：LIL-EPA-PS-SPS-LEP，成为连续性加速装置，使能量不停提升，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能量。第23页直线加速器LIL（LEPinjectorLinac）引出正电子注入正电子积累环EPA（Electron-PositronAccumulator）后进行积累，到达足够强度后引出并与LIL引出电子束一起注入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

第24页LEP上有四个大型试验设施：ALEPH、DELPHI、L3和OPAL。中国参加了其中ALEPH和L3试验及后续L3C试验。LEP二期工程中，用256个超导腔逐步换下原有128个高频腔，将正负电子能量分别提升到100GeV，总对撞能量为200GeV。LEP二期超导腔

第25页(3)20世纪末以及二十一世纪1992年6月，FERMILABLeonLederman取得EnricoFermi奖。1994年4月26日，FERMILAB宣告顶夸克第一个直接证据。1995年3月3日，FERMILABCDF和D0合作组试验人员宣告发觉顶夸克。1995年，CERN成功以射击反质子制造反氢原子。1996年11月18日，FERMILAB观察到反氢原子。CERN理论物理学家GeorgesCharpak1968年创造了多丝正比室及其随即研制出探测器，开创了电子探测粒子新时代。因他创造，尤其是多丝正比室——探索物质最内部结构技术上突破而获1992年诺贝尔物理奖。1997年，FERMILAB发觉顶夸克（t）。1999年，CERN于NA48试验中直接发觉CP破坏存在证据1999年3月1日，FERMILAB在中性K介子中观察到直接CP破缺。年4月13日，FERMILAB斯隆数字化巡天在红移5.8观察到最遥远物体；。第26页年7月20日，FERMILABDONuT试验汇报直接观察到t中微子第一个证据，从而开启了物理研究一个新时代；2011月7日，FERMILABNuTeV合作组汇报Sinqw异乎寻常高值为0.2277；20，CERN决定拆除LEP原有全部磁铁和设备，建造实现7.7TeV能量质子-质子对撞大型强子对撞机LHC（LargeHadronCollider）207月9日，FERMILAB首次在再循环环中观察到电子冷却反质子；第27页年1月12日，FERMILAB斯隆数字化巡天－II汇报发觉139个新型1a超新星。年9月25日，FERMILAB发觉Bs物质－反物质振荡:3万亿次/秒。年10月23日，FERMILAB发觉b重子（u-u-b和d-d-b）。201月7日，FERMILABCDF宣告经过单个试验对W波色子质量最准确测量结果；206月，发觉b重子（d-s-b夸克组合）。第28页年6月28日，FERMILABSDSSII发表约2.87亿个天体包含197个类型1a超新星图象。年11月8日，FERMILABPierreAuger天文台观察到超高能不均匀分布。203月30日，FERMILAB发觉产生ZZ双波色子。203月9日，FERMILAB发觉产生单个顶夸克。203月11日，FERMILABD0试验室组宣告W波色子质量最正确测量结果。203月18日，FERMILAB发觉新夸克结构，命名为Y（4140）。第29页CERN大型强子对撞机(LHC)

年，CERN决定拆除LEP原有全部磁铁和设备，建造实现7.7TeV能量质子-质子对撞大型强子对撞机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成为世界上最大粒子加速器设施，二十一世纪前十多年中世界唯一质子-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试验，寻找理论上预见物理现象。第30页CERN大型强子对撞机（LHC）第31页为节约经费，LHC将充分利用CERN现有设备和设施，如27公里长LEP隧道，粒子源和以前加速器等。LHC采取了最先进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，管中质子以相反方向，围绕着整个环型加速器运行。LHC利用原LEP27公里周长隧道，隧道直径三米，贯通瑞士与法国边境

LHC示意图第32页在粒子进入主加速环之前，经过一系列加速设施逐层提升能量。由两个直线加速器引出质子束流送入质子同时加速器PS后可到达25GeV能量，然后在超级质子同时加速器SPS中可将质子能量提升到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温度，已经靠近绝对零度，磁铁上线圈到达超导状态，以提供连续稳定磁场。质子被加速至7TeV进行对撞，总撞击能量到达14TeV。LHC运行时对撞点上每秒钟发生最少6亿次粒子对撞，环上不一样对撞点建有CMS、ATLAS、LHCb、ALICE四个大型探测器，对撞产生各种粒子被探测器测量、统计，并作物理分析。第33页LHC上大型探测器示意图第34页万亿电子伏特加速器Tevatron

在美国，最高能量对撞机就是费米试验室万亿电子伏特加速器Tevatron，在欧洲核子中心CERN大型强子对撞机LHC建成之前，Tevatron是世界上最大加速器。万亿电子伏特加速器Tevatron示意图

第35页Tevatron隧道Tevatron位于地面25英尺以下。在该加速器内，粒子束流穿过一个大部分由超导磁铁围绕真空管道。各类磁铁组合使束流按大圆形弯转。Tevatron共有1000多块超导磁铁。超导磁铁比常规磁铁产生更强磁场，工作在华氏－450度，磁铁内电缆没有电阻，传导大量电流。特大磁力可将粒子加速到更高能量。

第36页Tevatron主控制室第37页

（1）加速器链Tevatron由多级加速器组成：750keV预注入器、200MeV直线加速器、8GeV增强器和500GeV主加速器。第38页预注入器：预注入器也叫高压倍加器，是用来产生质子束流低能强流加速器。质子从这里开始加速，把从离子源中引出负氢离子加速到750keV。第39页直线加速器：直线加速器是产生带负电氢离子是产生质子和反质子束流第一步。费米试验室第一个直线加速器建于1971年，最初加速粒子高达200MeV。1993年进行了升级，由9个加速节组成，长约500英尺，可将预注入器中产生带负电离子加速到400MeV，或大约光束70％。束流从直线加速器出来，经中能输运段进入增强器。第40页增强器：位于地下约20英尺增强器是一个环型加速器，进入增强器离子要穿过碳箔，碳箔从氢离子中去掉电子，产生带正电子质子。增强器利用磁铁使质子束流在圆形轨道中弯转，围绕增强器运行0次。每一圈中它们都在高频腔中经历一个来自电场加速力，这使得到加速周期结束时将质子能量加速到8GeV，然后引出束流向主加速器注入。第41页主注入器：主注入器1999年完工，有以下功效：（1）将质子从8GeV加速到150GeV；（2）产生120GeV质子，用于反质子产生；（3）从反质子源接收反质子并把它们能量提升到150GeV；（4）将质子和反质子注入Tevatron。主注入器（下）与返航器（上）第42页反质子源：为产生反质子，主注入器把120GeV质子送到反质子源，质子与镍靶对撞，产生范围很广次级粒子，包含许多反质子。反质子被搜集，聚焦后存在储存环内，并对它们进行累积和冷却。当产生足够数量反质子后，它们被送到返航器再进行冷却和累积，然后注入Tevatron。第43页Tevatron：接收从主注入器来150GeV质子与反质子，并将其几乎加速到1000GeV。质子与反质子按相反方向在Tevatron里运转，速度每小时仅比光速慢200英里。质子与反质子束流在Tevatron隧道中CDF和D0探测器中心部分发生对撞，暴发式地产生新粒子。第44页（2）探测装置固定靶：三条光束线将质子从主注入器传送到中微子靶。这个区域束流也测试探测器，并进行不包括中微子固定靶试验。将各种材料样品放入光束线中，研究各种类型粒子和它们相互作用。利用这些装置，物理学家们在1977年6月30日发觉底夸克和年Donut试验探测到t中微子。第45页CDF与D0探测器：CDF与D0探测器是物理学家们在Tevatron上用来观察质子和反质子之间对撞两个探测器。探测器大如三层楼房，每个探测器都有许多探测分系统，这些分系统识别来自几乎在光速发生对撞所产生不一样类型粒子。经过分析这些“碎片”，探究物质结构、空间和时间。质子反质子在CDF和Do探测器中心每秒发生200多万次对撞，产生大量新粒子。对于有趣事例，探测器统计每个粒子飞行轨道、能量、动量和电荷。物理学家们倒班工作，一天二十四小时地监测探测器运行情况。第46页CDF探测器CDF与D0探测器位置示意图D0探测器第47页

建设历程

1968年12月1日，费米试验室直线加速器破土开工；1969年10月3日主环（200GeV质子加速器）破土开工。1972年3月1日第一个能量为200GeV束流经过主环，使费米试验室产生了世界上最高能量粒子。1972年12月14日主环能量倍增到400GeV。1978年，为深入提升粒子能量，费米试验室决定建造体积更大、功效更强大型对撞机，先集中技术力量，将主环能量提升至1兆电子伏特。1981年，主环创造400GeV时3x1013质子/脉冲世界纪录。1983年7月，产生了世界上第一个能量为512GeV束流（当初命名为能量倍增器EnergyDoubler）。第48页1983年8月16日，反质子源破土开工，准备耗资1.2亿美元建造世界上能量最高粒子加速器——质子反质子对撞机Tevatron。Tevatron1000块超导磁铁由液氦冷却，使温度到达摄氏零下268度，其低温冷却系统为当初加速器历史上最大低温系统。1984年2月，能量倍增器产生了第一个能量为800GeV束流。1985年10月13日，CDF探测器在质心能量1.6TeV时首次观察到质子反质子对撞。1986年10月20日能量倍增器产生第一个能量为900GeV束流。Tevatron成为世界最高能量质子-反质子对撞机。第49页1992年，D0探测器开始调试。为增加质子反质子对撞次数Tevatron开始第一次升级改造，称为Tevatron-II，在原2公里隧道外新建一个能量为150GeV常规磁铁环作为新注入器，亮度提升10倍。目标是寻找希格斯粒子，假如理论学家预言是正确，那么这将有利于解释为何宇宙中万物都有质量。1993年5月22日主注入器加速器破土开工。1993年9月4日，新400MeV直线加速器调试完成。1995年，创造了高能质子反质子粒子对撞次数世界纪录。第50页1996年，Tevatron第一次升级改造完成，向CDF和D0发送180pb-1，试验观察到了反氢原子。1997年，为固定靶试验2.86E13发送创统计流强800GeV束流；主环加速器关闭并进行拆除。1999年，主注入器落成。年，固定靶项目结束，为43个试验提供束流。大型探测器CDF和DO进行了改进，为新重大发觉和开展新物理工作奠定基础。20，Tevatron第二次升级开始。20，加速器峰值亮度到达1X1032cm-2s-1。20，积分亮度到达1fb-1；首次在再循环环中观察到电子冷却反质子。20，反质子源聚积率首次超出20mA/小时。20峰值亮度超出3X1032cm-2s-1；在单个一周内发送50pb-1。201月11日，费米试验室宣告Tevatron将于209月关闭。第51页FERMILAB超大型强子对撞机费米试验室正在分两个阶段进行超大型强子对撞机设计研究。第一个阶段，利用放在大周长隧道中坚固超铁氧体磁铁，该对撞机对撞能量到达40TeV，亮度与西欧中心大型强子对撞机LHC亮度一样。第一阶段潜在科学目标完全实现后开始第二阶段工作。在同一隧道中安装上高磁场磁铁，对撞能量最少到达175TeV。第52页为到达所需能量，第一个阶段所用低场磁铁需要233公里长隧道。即使建造这么长隧道面临工程量大、管理和公众接收挑战，在技术上似乎没有什么不可能在大约6年时间里建成理由，方便开始